Structural integrity of additively manufactured replacement part for the railway industry

Additive Manufacturing (AM) has revolutionized the production of mechanical components due to the capability of realizing complex shapes with minimal material waste. Among its main advantages, the most relevant is the possibility to replace traditional physical molds with digital models. Despite the widespread adoption of AM in many industries, such as aerospace and automotive, its integration into the railway sector has attracted interest only in recent years. One of the main challenges of AM applications is the understanding of its fatigue behavior. Process inherent defects, such as gas porosity and lack of fusion, and high surface roughness are critical factors influencing the mechanical performance of AM parts. In this regard, this study conducts a complete experimental campaign aimed at enhancing the understanding of fatigue behavior of AISI 316L produced by Laser Powder Bed Fusion (PBF-LB). Different specimens geometries are produced to: measure the surface roughness of inclined surfaces, determine the S-N diagrams for both net-shape and sandblasted condition, measure the fatigue crack growth rate. Fractographic analyses are employed to quantify the sizes and locations of defects and address their influence on fatigue life. The outcomes demonstrate that sandblasting process significantly improves the material fatigue behavior. Moreover, the experimental data obtained, validate the El-Haddad model, a defect-based method, as a reliable tool in predicting the endurance limit of AMed materials. Beyond the experimental campaign, this study investigates the feasibility of producing a railway replacement part via PBF-LB. A new design was proposed to improve printability and ensure structural requirements. The successful validation of the component reveals the AM potential to innovate railway applications. This work represents an initial step toward advancing the application of AM in the railway industry by providing quantitative insights into the fatigue behavior of AISI 316L and verifying the structural integrity of a real component.

La manifattura additiva (AM) ha rivoluzionato la produzione di componenti meccanici grazie alla capacità di realizzare forme complesse con uno spreco minimo di materiale. Tra i suoi principali vantaggi, il più rilevante è la possibilità di sostituire gli stampi fisici con modelli digitali. Nonostante l’adozione diffusa dell’AM in molti settori, come quello aerospaziale e automobilistico, la sua integrazione nel settore ferroviario ha suscitato interesse solo negli ultimi anni. Una delle principali sfide delle applicazioni AM è la comprensione del relativo comportamento a fatica. I difetti intrinseci del processo, come la porosità da gas e la mancanza di fusione, e l’elevata rugosità superficiale sono fattori critici che influenzano le proprietà meccaniche dei componenti AM. A questo proposito, questo studio conduce una campagna sperimentale completa volta a migliorare la comprensione del comportamento a fatica dell’AISI 316L prodotto mediante fusione laser a letto di polvere (PBF-LB). Sono state prodotte diverse geometrie di provini per: misurare la rugosità superficiale delle superfici inclinate, determinare i diagrammi S-N sia per la condizione net-shape che per quella sabbiata, misurare la velocità di crescita delle cricche da fatica. Sono state utilizzate analisi frattografiche per quantificare le dimensioni e la posizione dei difetti e valutarne l’influenza sulla durata della vita a fatica. I risultati dimostrano che il processo di sabbiatura migliora significativamente il comportamento a fatica del materiale. Inoltre, i dati sperimentali ottenuti convalidano il modello di El-Haddad, un metodo basato sui difetti, come strumento affidabile per prevedere il limite di resistenza a fatica dei materiali AM. Oltre alla campagna sperimentale, questo studio indaga la fattibilità della produzione di un pezzo di ricambio ferroviario tramite PBF-LB. È stato proposto un nuovo design per migliorare la stampabilità e garantire i requisiti strutturali. La convalida positiva del componente rivela il potenziale dell’AM nell’innovazione delle applicazioni ferroviarie. Questo lavoro rappresenta un primo passo verso il progresso dell’applicazione dell’AM nell’industria ferroviaria, fornendo informazioni quantitative sul comportamento a fatica dell’AISI 316L e verificando l’integrità strutturale di un componente reale.