A fracture mechanics-based approach to multiaxial fatigue prediction of an additively manufactured train component

A train component, referred to as the “Old Hanging Arm,” originally manufactured by casting, required replacement; however, the original mold was no longer available, and the cost of creating a new one was not justifiable for a limited production run. As a result, LPBF AISI 316L was chosen as an alternative manufacturing method. Given the unique mechanical behavior, microstructure, and defect characteristics associated with SLM, thesis first proposes a “Modified Old Hanging Arm,” which retained the original geometry with slight modifications such as adding fillets to improve manufacturability and performance under the SLM process. Employing a novel multiaxial high-cycle fatigue (HCF) assessment methodology based on fracture mechanics and critical-plane theory, both the Old Hanging Arm and Modified Old Hanging Arm were evaluated under tie/press-fit conditions. Neither design achieved an infinite-life fatigue short-crack propagation threshold (SF_Fatigue) greater than 1.0. Consequently, topology optimization (TO) was employed using the TOSCA solver in ABAQUS. Two candidate geometries were generated by applying different optimization strategies, including strain energy and stress-based objectives with volume and stress constraints. Although both of TO designs exhibited improved fatigue performance, they still fell short of the SF ≥ 1.0 target. One of the TO candidates was then refined through local geometric modifications such as fillet smoothing, removal of stress concentrators, and selective material addition. This final design achieved an infinite-life fatigue short-crack propagation threshold (SF_Fatigue) above 1.0. The thesis is organized into six chapters covering the state of the art, material characterization, fatigue methodology, finite element modeling, topology optimization, and discussion of results. This work demonstrates a complete design workflow from material testing to optimization and fatigue assessment for the development of LPBF-manufactured components under complex loading conditions with strict durability requirements.

Un componente ferroviario, denominato « Old Hanging Arm » e originariamente realizzato tramite colata, necessitava di sostituzione; tuttavia, lo stampo originale non era più disponibile e il costo di un nuovo stampo non risultava giustificabile per una produzione limitata. Di conseguenza, è stata scelta come metodo alternativo la fusione a letto di polvere laser (LPBF) dell’acciaio inossidabile AISI 316L. Considerati il particolare comportamento meccanico, la microstruttura e le caratteristiche difettologiche associati alla fusione laser selettiva (SLM), il dipartimento di Ricerca e Sviluppo (R&D) ha proposto un « Modified Old Hanging Arm », che mantiene la geometria originaria introducendo leggere modifiche —come l’aggiunta di raccordi — per migliorare producibilità e prestazioni nel processo SLM. Applicando una metodologia innovativa di valutazione della fatica multiasiale ad alto numero di cicli (HCF), basata sulla meccanica della frattura e sulla teoria del piano critico, sono stati valutati sia l’Old Hanging Arm sia il Modified Old Hanging Arm in condizioni di vincolo tie/press-fit. Nessuna delle due soluzioni ha raggiunto un fattore di sicurezza (SF) in regime di vita infinita superiore a 1,0. È stata quindi adottata l’ottimizzazione topologica (TO) con il risolutore TOSCA in ABAQUS. Mediante differenti strategie di ottimizzazione — comprendenti obiettivi basati sull’energia di deformazione e sulle tensioni, con vincoli di volume e di tensione — sono state generate due geometrie candidate. Benché entrambe mostrassero un miglioramento delle prestazioni a fatica, non hanno comunque raggiunto l’obiettivo SF ≥ 1,0. Una delle geometrie candidate è stata poi affinata tramite modifiche geometriche locali (raccordatura, rimozione di concentratori di tensione, aggiunta selettiva di materiale). Il progetto finale ha così conseguito un fattore di sicurezza in vita infinita superiore a 1,0. La soluzione è stata prototipata mediante tecnologie SLA per verificarne la producibilità. La tesi è articolata in sei capitoli che trattano: stato dell’arte, caratterizzazione del materiale, metodologia a fatica, modellazione agli elementi finiti, ottimizzazione topologica e discussione dei risultati. Il lavoro dimostra un flusso completo di progettazione, dalla prova materiale all’ottimizzazione e alla verifica a fatica, per lo sviluppo di componenti realizzati tramite LPBF destinati a operare in condizioni di carico complesse e soggetti a severi requisiti di durabilità.