Comprehensive design methodology for metal aeronautical components produced by additive manufacturing

This thesis aims to serve as a comprehensive introduction to the application of a Design for Additive Manufacturing (DfAM) driven design methodology to aeronautical components through an additive manufacturing process simulation, as well as the development of a design methodology concerning topology and shape optimization utilizing commercial solutions, namely SIMULIA Tosca. The thesis begins with a study on both structural optimization and additive manufacturing process simulation, and its underlying theory. Additionally, the implementation of the new Mass Interpolation Material Penalization (MIMP) is explored, and compared with the widely used Solid Isotropic Material with penalization (SIMP) algorithm, concluding its efficacy in dealing with topology optimization problems containing mass related, frequency response design variables, achieving convergence where SIMP fails to. Furthermore, a benchmarking additive manufacturing simulation is performed in order to define a general guideline and set of tools needed to properly implement a low-resolution additive manufacturing simulation in Abaqus. The results fall in line with the ones made available by the National Institute of Standards and Technology (NIST), therefore validating the methodology. The thesis further discusses the definition of an accurate static analysis of the current bracket in use by Leonardo, as its results directly influence design requirements, and the correct definition of the structural optimization task in terms of boundary and loading conditions. The structural optimization is started by a volume minimization topology optimization, as it allows to cater the objective function evolution to concrete engineering design constraints. SIMP fails to achieve convergence under the presence of frequency response constraints, while MIMP converges to a well-connected design, which following its design interpretation with polyNURBs in Altair Inspire, results in a weight reduction of 2.29% compared to the current component. Further implementation of a shape optimization to tackle stress design requirements allows to achieve stress homogenization and a lower weight, resulting in a considerable 5.12% weight reduction. Finally, the AM simulation process is applied to a scaled version of the final design, in order to both assess the printability of the part itself, as well as the implementation of the key tools to define the AM simulation. Distortion of the part appears at expected regions with overhanging material, further giving the results confidence.

Lo scopo di questa tese è la introduzione completa all'applicazione di una metodologia di progettazione guidata da Design for Additive Manufacturing (DfAM) ai componenti aeronautici attraverso una simulazione del processo di Additive Manufacturing (AM), nonché lo sviluppo di una metodologia di progettazione relativa alla all'ottimizzazione della topologia e forma, utilizzando soluzioni commerciali, come Abaqus Tosca. La tesi inizia con uno studio sull'ottimizzazione strutturale e la simulazione del processo di AM, e la sua teoria sottostante. Inoltre, l'implementazione del nuovo algoritmo MIMP (Mass Interpolation Material Penalization) viene esplorata e confrontata con l'algoritmo SIMP (Solid Isotropic Material with Penalization), concludendo la sua efficacia nel trattare i problemi di ottimizzazione della topologia contenenti variabili di progettazione relative alla massa, come risposta di frequenza, raggiungendo la convergenza dove il SIMP fallisce. Inoltre, viene eseguita una simulazione di AM di benchmarking al fine di definire una linea guida generale e una serie di strumenti necessari per implementare correttamente una simulazione a bassa risoluzione in Abaqus. I risultati sono in linea con quelli messi a disposizione dal National Institute of Standards and Technology (NIST), convalidando quindi la metodologia. La tesi discute inoltre la definizione di un'accurata analisi statica dell'attuale componente utilizzata da Leonardo, dato i suoi risultati influenzano direttamente i requisiti di progettazione, e la corretta definizione della ottimizzazione strutturale in termini di condizioni di carico e contorno. L'ottimizzazione strutturale è definita come un'ottimizzazione della topologia di minimizzazione del volume, per soddisfare l'evoluzione della funzione oggettiva a vincoli concreti di progettazione ingegneristica. SIMP non riesce a raggiungere la convergenza in presenza di vincoli di risposta di frequenza, mentre MIMP converge a un design ben connesso, che seguendo la sua interpretazione di progetto con poliNURBs in Altair Inspire, si traduce in una riduzione di peso del 2,29% rispetto alla componente corrente. L'ulteriore implementazione di un'ottimizzazione della forma per affrontare i requisiti di progettazione dello stress consente di ottenere l'omogeneizzazione dello stress e un peso inferiore, con una notevole riduzione del peso del 5,12%. Infine, il processo di simulazione AM viene applicato a una versione scalata del progetto finale, al fine di valutare sia la stampabilità della parte stessa, sia l'implementazione degli strumenti chiave per definire la simulazione AM. La distorsione della parte appare nelle regioni previste con materiale sporgente, dando ulteriore fiducia ai risultati.