Laser directed energy deposition on conventional tubular steel profiles

Metal Additive Manufacturing (MAM) offers a great opportunity to develop optimized design solutions for structural connections with complex detailing requirements. This research studies the application of Topology Optimization to design, and Laser Directed Energy Deposition (LDED) to produce structural connections adopted in steel canopies. The design is optimized taking advantage of the inherent geometrical properties of circular hollow sections. Optimized tubular joints presented better structural resistance to axial force reducing the peak stresses by 83%, and they improved the aesthetic of the node while minimizing the labor content for assembling. Moreover, the design aspects for producing tubular joints with LDED are introduced. Accordingly, the conventional design of a connection belonging to a stadium roof is transformed into a hybrid joint that integrates traditional stiffeners and an LDED tubular joint, which significantly reduced the stresses at the attachment between the joint and the beam by 79% and 47% for single and double stiffener nodes respectively. Furthermore, experimental tensile tests are carried out on LDED and hybrid steel components, and a Digital Image Correlation system is fitted to capture the local stress-strain responses. The LDED samples produced orthogonal to the printing source exhibited lower modulus of elasticity values. Nevertheless, the mechanical properties align with the standard values for stainless steel used in the structural engineering field. In conclusion, this research demonstrated the potential of LDED in optimizing design solutions for structural connections with complex detailing requirements, resulting in improved structural resistance, reduced peak stresses, enhanced aesthetics, minimized labor content, and successful integration of traditional stiffeners with AM tubular joints.

La Fabricazione Additiva di Metalli (MAM) offre una grande opportunità per sviluppare soluzioni di progettazione ottimizzate per le connessioni strutturali con complessi requisiti di dettaglio. Questa ricerca studia l'applicazione dell'Ottimizzazione della Topologia per la progettazione e il Deposito di Energia Diretta con Laser (LDED) per la produzione di connessioni strutturali adottate in coperture in acciaio. La progettazione è ottimizzata sfruttando le proprietà geometriche intrinseche delle sezioni cavi circolari. I giunti tubolari ottimizzati presentavano una migliore resistenza strutturale alle forze assiali, riducendo gli sforzi massimi dell'83%, e miglioravano l'estetica del nodo riducendo al minimo il lavoro di assemblaggio. Inoltre, vengono introdotti gli aspetti di progettazione per la produzione di giunti tubolari con LDED. Di conseguenza, la progettazione convenzionale di una connessione appartenente al tetto di uno stadio viene trasformata in un giunto ibrido che integra rinforzi tradizionali e un giunto tubolare LDED, riducendo significativamente gli sforzi all'attacco tra il giunto e la trave del 79% e del 47% rispettivamente per nodi con singolo e doppio rinforzo. Inoltre, vengono effettuati test sperimentali di trazione su componenti in acciaio LDED e ibridi, e viene utilizzato un sistema di Correlazione Immagini Digitali per catturare le risposte locali di sforzo-deformazione. I campioni LDED prodotti in modo ortogonale alla sorgente di stampa presentavano valori di modulo di elasticità inferiori. Tuttavia, le proprietà meccaniche corrispondono ai valori standard dell'acciaio inossidabile utilizzato nel campo dell'ingegneria strutturale. In conclusione, questa ricerca ha dimostrato il potenziale del LDED nell'ottimizzare le soluzioni di progettazione per le connessioni strutturali con complessi requisiti di dettaglio, ottenendo una migliore resistenza strutturale, riducendo gli sforzi massimi, migliorando l'estetica, minimizzando il lavoro di assemblaggio e integrando con successo rinforzi tradizionali con giunti tubolari AM.