Probabilistic model for process optimization of LPBF for Ti6Al4V

Laser Powder Bed Fusion (LPBF) is an additive manufacturing technology that builds parts with intricate shapes by adding material layer by layer. The choice of process parameters in L-PBF significantly affects the mechanical properties of the final parts. Scan speed, laser power, and hatch distance are particularly crucial parameters because they influence different solidification mechanisms depending on how they are combined. However, determining these parameters through experimentation can be costly. Thus, there is a need to develop simplified models for swift and reliable parameter optimization in L-PBF. Additionally, parameter selection should not only consider qualitative aspects but also process productivity to strike a satisfactory balance. Higher productivity, while desirable, can lead to the formation of defects like lack of fusion porosity, which must be minimized. Before proposing a method for selecting parameters for LBPF-produced TI6Al4V, this study reviews current analytical models and thermophysical properties. The proposed method uses an analytical thermal model and a geometric defect model. Together, these models identify an optimal region where solidification quality and productivity are maximized. It has been possible to perform a stochastic simulation on the built analytical model for taking into account the variabilities of the predicted melt pool dimensions, through the Monte Carlo method. Through this method it has been possible to define the Probability of Lack of Fusion, which out of 106 porous/non-porous samples, it showed an accuracy of 90.6%. Optimization is performed using a specifically defined utility function, which includes the dependency of one of the thermophysical properties (absorptivity) on the process conditions. The effectiveness of this approach is demonstrated through the validation with experimental data taken from the literature.

Laser Powder Bed Fusion (LBPF) è un processo di additive manufacturing che costruisce parti con forme intricate aggiungendo materiale strato dopo strato. La scelta dei parametri di processo nel LPBF condiziona in modo significativo le proprietà meccaniche del componente finale. Velocità, potenza e hatch distance sono dei parametri cruciali in quanto influenzano i vari meccanismi di solidificazione a seconda della loro combinazione. Tuttavia, determinare questi parametri attraverso la sperimentazione può essere dispendioso. Pertanto, è necessario sviluppare modelli semplificati per un'ottimizzazione dei parametri rapida e affidabile per il LPBF. Inoltre, la selezione dei parametri dovrebbe considerare non solo gli aspetti qualitativi, ma anche la produttività del processo per raggiungere un punto di compromesso tra le due necessità. Una produttività più alta può portare alla formazione di difetti come la mancanza di porosità di fusione, la quale deve essere minimizzata. Preceduto da una digressione sullo stato dell’arte attuale sui vari modelli analitici e proprietà termofisiche, questo studio propone, per la lega Ti6Al4V prodotta tramite LBPF, un metodo di selezione dei parametri basato su un modello termico analitico, completato da un modello di difetto geometrico. Insieme, questi modelli identificano una regione ottimale in cui si raggiunge un compromesso tra la qualità della solidificazione e la produttività. È stato possibile eseguire una simulazione stocastica sul modello costruito, considerando le variabilità delle dimensioni della pozza fusa, attraverso il metodo di Monte Carlo. Attraverso quest’ultimo è stato possibile definire la probabilità di lack of fusion, la quale su 106 campioni porosi/non porosi ha mostrato una precisione del 90.6%. L'ottimizzazione viene eseguita utilizzando una funzione di utilità accuratamente definita, la quale include la dipendenza di una delle proprietà termofisiche (in particolare, l’assorbività) dalle condizioni di processo. L'efficacia di questo approccio è dimostrata attraverso la validazione con dati sperimentali tratti dalla letteratura.