Multiscale quantification of tensile damage mechanisms in AlSi10Mg cellular materials produced by LPBF: a combined experimental and FE study

In this study, the mechanisms underlying the tensile failure of a mesoporous AlSi10Mg metamaterial were investigated using both experimental data and finite element simulations. The cellular metamaterial specimen used in this work contained randomly dispersed mesoscale pores, which were generated through a Random Sequential Absorption (RSA) algorithm prior to fabrication. Notably, Laser Powder Bed Fusion (LPBF) was used to manufacture the specimen and resulted in a variety of process-induced defects, as revealed by X-Ray tomography. The experimental results were subsequently analysed via Digital Volume Correlation (DVC), allowing for the measurement of the displacement and strain fields. Additionally, a Finite Element Model Updating (FEMU) procedure was implemented (prescribing as boundary conditions the measured displacements), and allowed to investigate the influence of the fabrication-induced defects on the tensile response. The results showed that strain localisation was primarily triggered by defects and not by the geometrical pores, and that not all the existing defects have the same effect on damage. Specifically, in the present study, two crack-like defects were found to drive strain localisation and failure.

In questo studio, il meccanismo di danneggiamento di un metamateriale mesoporoso realizzato in AlSi10Mg è stato esaminato tramite una combinazione di procedure sperimentali e di modellazione basate sugli elementi finiti. Il metamateriale cellulare, oggetto del presente studio, conteneva mesopori dispersi in modo aleatorio, la cui distribuzione è stata ottenuta attraverso l'utilizzo di un algoritmo di Random Sequential Absorption (RSA). La fabbricazione additiva metallica basata sulla tecnologia Laser Powder Bed Fusion (LPBF) è poi stata utilizzata per realizzare il provino, generando una varietà di difetti di fabbricazione come evidenziato dall'analisi tomografica. I risultati sperimentali sono stati di seguito analizzati tramite la tecnica di Digital Volume Correlation (DVC), consentendo la misurazione dei campi di spostamento e di deformazione. Inoltre è stata implementata una procedura di Finite Element Model Updating (FEMU), che utilizza come condizioni al contorno gli spostamenti misurati tramite DVC e che ha permesso di studiare l'influenza dei difetti indotti dalla fabbricazione sulla risposta a trazione del provino. I risultati hanno mostrato che la localizzazione della deformazione è principalmente innescata dai difetti e non dai pori geometrici, e hanno altrettanto evidenziato che non tutti i difetti esistenti hanno lo stesso effetto sul meccanismo di danneggiamento. In particolare, nel presente studio, due difetti di tipo cricca sono stati identificati come principali responsabili dell'innesco della localizzazione della deformazione e della successiva propagazione della frattura.