RESUM
La qualificació dels processos de fabricació additiva metàl·lica (MAM) continua sent un repte a causa dels complexos fenòmens termo-mecànics implicats. El procés està governat per una petita font de calor mòbil que genera gradients tèrmics altament localitzats i transitoris, i indueix deformacions tèrmiques.Com que aquestes deformacions estan restringides pel material circumdant, es desenvolupen tensions residuals que provoquen la distorsió de la peça o fins i tot el fracàs de la seva fabricació. El modelatge precís és essencial per comprendre la física subjacent i assolir una qualificació fiable del procés i una optimització dels paràmetres. Tanmateix, aquestes simulacions són computacionalment costoses per la petita mida de la font de calor, que introdueix escales espacials molt dispars, i pel seu moviment continu, que genera escales temporals igualment heterogènies.
La necessitat de resoldre simultàniament aquestes escales fa que les simulacions d’alta fidelitat a escala de peça siguin prohibitòriament costoses. Aquesta tesi contribueix al modelatge MAM des dels àmbits aplicat i metodològic. En l’àmbit aplicat, s’investiguen mètodes per mitigar les tensions residuals en processos DED (Directed Energy Deposition) i LPBF (Laser Powder Bed Fusion), incloent-hi una estratègia innovadora de disseny de substrat per a DED que redueix significativament les tensions, així com un marc de modelatge capaç de capturar els errors de construcció induïts pel recoater (corró) en LPBF. En l’àmbit metodològic, la tesi desenvolupa estratègies eficients per a simulacions d’alta fidelitat a escala de peça en LPBF, amb especial èmfasi en superar la disparitat d’escales temporals.
Es proposen dos mètodes per abordar la disparitat d’escales temporals sense eliminar les petites escales subjacents: el subdomini advectat (advected subdomain) i un esquema de substepping Robin-Robin, dissenyats per preservar la fidelitat del model i reduir dràsticament el cost computacional. El subdomini advectat acobla una malla mòbil al làser. En resoldre el problema tèrmic en el sistema de referència de la font de calor, la dinàmica transitòria prop del bany de fusió (melt pool) esdevé gairebé estacionària, cosa que permet utilitzar passos de temps molt més grans. El substepping divideix el domini en regions que evolucionen amb diferents passos de temps: s’apliquen passos més fins al voltant de la font de calor mòbil, i més grans a les zones allunyades.
L’esquema d’acoblament Robin-Robin desenvolupat és robust i garanteix la convergència del substepping independentment de la malla. Aquests mètodes i components s’han avaluat sistemàticament mitjançant anàlisi numèrica, comparats amb enfocaments estàndard i validats amb dades experimentals. A més, el subdomini advectat i el substepping s’han combinat per potenciar-ne els beneficis respectius. En conjunt, aquestes contribucions fan avançar el modelatge numèric de la MAM, millorant l’eficiència computacional de les simulacions d’alta fidelitat i permetent una qualificació i optimització fiables del procés.
Directors de tesi:
- Prof Michele Chiumenti
- Prof Luís Miguel Cervera
DOCTORAND
Mehdi Slimani és un doctorand en anàlisi estructural al clúster de recerca en Simulació de sòlids i fluids per a processos industrials del CIMNE.