Methodologies for an optimum mechanical design of space structures obtained from additive manufacturing

Abstract

Additive Layer Manufacturing (ALM) is growing rapidly due to the unprecedented design freedom. Thus, the structures' complexity can be drastically increased without significant raises in costs. However, the economic viability of ALM is strongly dependent on the full exploration of the referred design freedom. In fact, the ALM is only cost-effective in highly customized parts. Moreover, the mechanical behavior of materials processed via ALM is an ongoing challenge due to defects, uncertainties in material characterization, and verification methods. Thus, the goal of the present work is the development of a robust methodology for the mechanical optimum design of metallic space structures obtained from additive manufacturing. Thus, two main tasks were established. The first task is related to the mechanical characterization of a Ti6Al4V alloy, processed via Selective Laser Melting (SLM). Therefore, an experimental testing campaign of Ti6Al4V samples is presented using homogeneous macroscopic testing (tensile, compression, density, hardness, and fatigue) and microscopic testing (defects detection via microcomputed tomography). These samples show better static properties than the other counterparts, obtained by traditional manufacturing processes. However, the repeatability of the SLM samples is still a challenge (particularly in its fatigue behavior) and more testing is needed. Furthermore, these campaigns are expensive and, consequently, more information per test is required. With the development of full-field measurement methods, material model calibration strategies call upon the use of heterogeneous testing specimens. In the scope of this work, an indirect TO methodology is presented, being capable of designing a wide range of different heterogeneous specimens. Then, a stress states performance indicator is also presented to help the selection of the most promising geometry. The second task is related to the definition of the engineering cycle for ALM structures in its mains phases: (i) design for ALM, (ii) bridging between Topology Optimization (TO) and ALM, (iii) process simulation and structural verification, and (iv) manufacturing. Concerning the first phase, ALM provides great geometric freedom however, there are some design limitations. Therefore, a systematic design methodology is presented, being based on a topology optimization algorithm capable of incorporating the main ALM design limitations (minimum member size and overhang angle). Furthermore, the non-trivial task of bridging between TO and the final smooth geometry is also studied (second phase). The referred task uses a Laplacian smoothing algorithm, which is based on the new concept of mutable diffusion. This new concept shows better properties than the classic algorithms, giving promising results. Furthermore, a new volume constraint is presented, which exhibits a less detrimental impact on the chosen structural indicators. Regarding the remaining phases, these were analyzed via industrial case studies. For instance, process simulation can provide crucial insight into the optimum manufacturing direction and might dictate the difference between success and failure upon manufacturing. The impact of this Ph.D. is related with some improvements in (i) the characterization of ALM-produced materials as well as the geometry of the specimens used for their characterization; and in (ii) the engineering cycle of ALM structures, allowing higher efficiency in the structural solutions for the space industry with lower costs.

O uso do fabrico aditivo por camadas está a crescer a um elevado ritmo devido À elevada liberdade de projeto de estruturas. Assim, a complexidade das estruturas pode ser aumentada significativamente sem incrementos significativos nos custos. Todavia, a viabilidade económica do fabrico aditivo por camadas é fortemente dependente de uma exploração inteligente da liberdade de projeto estrutural. Na verdade, o fabrico aditivo por camadas só é rentável em peças de elevada complexidade e valor acrescentado. Adicionalmente, o comportamento mecânico de materiais processados através do fabrico aditivo por camadas é ainda um desafio por resolver devido à existência de defeitos, incertezas na caracterização de materiais e nos seus métodos de velicação. Deste modo, o objetivo deste trabalho é o desenvolvimento de uma metodologia robusta que permita o projeto mecânico ótimo de estruturas obtidas por fabrico aditivo para a indústria espacial. Para isso, foram estabelecidas duas tarefas principais. A primeira tarefa está relacionada com a caracterização mecânica da liga Ti6Al4V, processada através da fusão seletiva a laser. Portanto, foi realizado uma campanha de testes experimentais com provetes da liga Ti6Al4V composta por testes macroscópicos homogéneos (tração, compressão, densidade, dureza e fadiga) e testes microscópicos (deteção de defeitos usando uma análise com recurso à tomografia microcomputorizada). Foi verificado que estas amostras exibem melhor propriedades estáticas que amostras idênticas produzidas através de processos tradicionais. Contudo, a sua repetibilidade ainda é um desafio (particularmente o comportamento à fadiga), sendo necessário mais testes. Adicionalmente, estas campanhas experimentais são onerosas e, consequentemente, é crítico obter mais informação por cada teste realizado. Dado o desenvolvimento dos métodos de medição full-field, as estratégias de calibração de modelos de material propiciam o uso de provetes heterogéneos em testes mecânicos. No ^âmbito deste trabalho apresenta-se uma metodologia de otimização topológica indireta capaz de projetar uma grande variedade de provetes heterógenos. Posteriormente apresenta-se um indicador de desempenho baseado na quantidade de estados de tensão para selecionar o provete mais promissor. A segunda tarefa está relacionada com a definição do ciclo de engenharia para o fabrico aditivo por camadas de estruturas metálicas nas suas fases principais: (i) projeto para fabrico aditivo por camadas, (ii) transição entre a otimização topológica e o fabrico aditivo por camadas, (iii) simulação do seu processo de fabrico e sua verificação estrutural e (iv) fabrico. Relativamente à primeira fase, o fabrico aditivo por camadas proporciona uma grande liberdade geométrica, contudo existe limitações ao design. Portanto é apresentada uma metodologia de projeto sistemática, baseada num algoritmo de otimização topológica capaz de incorporar as principais limitações de projeto do fabrico aditivo por camadas tais como a espessura mínima e ângulo do material sem suporte. Adicionalmente, a tarefa complexa de efetuar a transição entre os resultados da otimização topológica e uma geometria final suave também é objeto de estudo. A tarefa anteriormente referida baseia-se na suavização Laplaciana que por sua vez se baseia no novo conceito de difusão mutável. Este novo conceito apresenta melhores e mais promissores resultados que os algoritmos clássicos. Adicionalmente, é apresentado uma nova restrição de volume que proporciona um menor impacto nos indicadores estruturais escolhidos. Relativamente às restantes fases, estas são analisadas através de casos de estudo industriais. A título exemplar, a simulação do processo de fabrico pode fornecer informações crucias para a escolha da direção de fabrico que, por sua vez, pode ditar a diferença entre o sucesso ou o insucesso durante o fabrico. O impacto deste trabalho está relacionado com melhorias na (i) caracterização de materiais produzidos através de fabrico aditivo por camadas assim como nas geometrias de provetes usados durante a sua caracterização e no (ii) ciclo de projeto em engenharia de estruturas obtidas através do fabrico aditivo por camadas, permitindo soluções estruturais com maior eficiência e menor custo para indústria espacial.