Numerical study of laser-based additive manufacturing and welding

Laser-based manufacturing technologies, such as Laser Powder Bed Fusion (LPBF) and Laser BeamWelding (LBW), are increasingly adopted in the production of complex metallic components due to their high precision and flexibility. However, these processes involve highly complex physical phenomena whose accurate understanding requires advanced numerical modeling tools. This thesis presents a numerical study of LPBF and LBW, aiming to analyze melt pool behavior as a function of various physical and process parameters. The simulations were carried out using the open-source solver laserbeamFoam, developed within the Open- FOAM environment. Line melting scenarios were simulated for both aluminum and steel alloys, varying some key parameters, specifically laser power and scanning speed. The work begins with an in-depth analysis of the physical models and numerical methods implemented in laserbeamFoam, which led to a significant modification of the solver itself. This contribution enhances some aspects of the modeling of laser energy absorption mechanisms and provides an important advancement in the solver’s capabilities. Subsequently, some selected cases were simulated using high-performance computing (HPC) resources. The results were compared with available experimental data, showing good agreement in the prediction of melt pool characteristics. These findings highlight the effectiveness and potential of the solver as a predictive tool for process parameter optimization. This work establishes a basis for further developments, particularly toward the implementation of a more accurate numerical model and the simulation of more complex scenarios beyond the basic line melting cases studied here.

Le tecnologie di produzione basate su laser, come la Laser Powder Bed Fusion (LPBF) e la Laser Beam Welding (LBW), sono sempre più adottate nella produzione di componenti metallici complessi grazie alla loro elevata precisione e flessibilità. Tuttavia, questi processi coinvolgono fenomeni fisici altamente complessi la cui comprensione accurata richiede strumenti avanzati di modellazione numerica. Questa tesi presenta uno studio numerico di LPBF e LBW, con l’obiettivo di analizzare il comportamento del bagno di fusione in funzione di vari parametri fisici e di processo. Le simulazioni sono state eseguite utilizzando il solver open-source laserbeamFoam, sviluppato all’interno dell’ambiente OpenFOAM. Sono stati simulati casi di fusione a scansione lineare sia per leghe di alluminio sia per leghe di acciaio, variando alcuni parametri chiave, in particolare la potenza del laser e la velocità di avanzamento. Il lavoro inizia con un’analisi approfondita dei modelli fisici e dei metodi numerici implementati in laserbeamFoam, che ha portato a una modifica significativa del solver stesso. Questo contributo migliora alcuni aspetti della modellazione dei meccanismi di assorbimento dell’energia laser e fornisce un importante miglioramento nelle capacità del solver. Successivamente, alcuni casi selezionati sono stati simulati utilizzando risorse di calcolo ad alte prestazioni (HPC - High Performance Computing). I risultati sono stati confrontati con dati sperimentali disponibili, mostrando una buona previsione delle misure del bagno di fusione. Questi risultati evidenziano l’efficacia e il potenziale del solver come strumento predittivo per l’ottimizzazione dei parametri di processo. Questo lavoro pone le basi per sviluppi futuri, in particolare verso l’implementazione di un modello numerico più accurato e la simulazione di scenari più complessi oltre ai casi base di fusione a scansione lineare studiati in questo lavoro.