Design and simulation of porous lightweight structures built by selective laser melting

Steel porous materials are multifunctional lightweight materials with a great potential in several applications ranging from automotive to aerospace sector. Their properties are strongly influenced by type, dimension and distribution of pores. Selective Laser Melting (SLM) is one of the most important additive manufacturing technologies, which allows to properly control the main parameters that affect the behavior of manufactured porous materials. The purpose of this study is to simulate the room temperature compression behavior of steel specimens with large spherical pores built via SLM. Such a construction is a highly innovative manufacturing concept. The numerical simulation covers the whole deformation range undergone by specimens, that is up to 80% nominal strain. In this regard, three finite element models of the specimens subjected to uniaxial compression are developed including different levels of detail. The Hollomon model is selected as the constitutive model given in input to the FE simulations. Although experimental tests highlight a highly nonlinear behavior entailing plastic collapse of porous samples, numerical simulations can accurately reproduce experimental results. Moreover, the present study is able to quantify phenomena and characteristic aspects of porous architectures behavior, such as stress–strain distribution, the evolution of stress concentration factor near pores and the influence of pore’s aspect ratio and deformation behavior on stress localization. Modelling issues that may contribute to limit the computational cost of simulations yet preserving good level of accuracy of FE results also are discussed in the article. Finally, bases for future investigations are traced in the last Section of the work: a developed in-house algorithm capable of realizing spherical pores spatial distribution is proposed in order to design steel structures characterized by random porosity compatible with constraints imposed by SLM manufacturing process.

I materiali porosi in acciaio sono una classe di materiali alleggeriti che presentano un notevole potenziale in diverse applicazioni che spaziano dal settore automotive a quello aerospaziale. Le proprietà di tale tipologia di materiali sono fortemente influenzate dal tipo, dalla dimensione e dalla distribuzione dei pori in essa presenti. La fusione laser selettiva (selective laser melting o SLM) è una delle più importanti tecnologie di additive manufacturing e consente di controllare in modo appropriato i principali parametri che influenzano il comportamento dei materiali porosi realizzati attraverso tale processo produttivo. Lo scopo del presente lavoro è simulare il comportamento a compressione a temperatura ambiente di provini in acciaio, ottenuti mediante selective laser melting, caratterizzati da pori sferici di grandi dimensioni. Tali strutture rappresentano un concetto di produzione altamente innovativo. La simulazione numerica sviluppata è in grado di coprire l’intero range di deformazione a cui sono soggetti i provini, vale a dire fino al 80% di nominal strain. A tal riguardo, sono stati sviluppati tre modelli agli elementi finiti dei provini sottoposti a compressione uniassiale includendo differenti livelli di dettaglio. Il modello costitutivo selezionato per la realizzazione delle simulazioni agli elementi finiti è il modello di Hollomon e, sebbene i test sperimentali abbiano evidenziato un comportamento altamente non lineare che manifesta il collasso plastico dei campioni porosi, le simulazioni numeriche hanno riprodotto accuratamente i risultati sperimentali. Il presente studio è inoltre in grado di quantificare fenomeni e aspetti caratteristici del comportamento delle architetture porose come, ad esempio, la distribuzione delle tensioni e deformazioni, l’evoluzione dello stress concentration factor in prossimità dei pori e l’effetto dell’aspect ratio dei pori e del comportamento deformativo sulla localizzazione degli stress. Vengono in aggiunta discusse tematiche inerenti la modellazione che contribuiscono a limitare il costo computazionale delle simulazioni pur garantendo un buon livello di accuratezza dei risultati numerici. Infine, nella sezione finale del lavoro si incominciano a porre le basi per le future investigazioni: viene proposto un algoritmo sviluppato “in house” capace di realizzare distribuzioni spaziali di pori sferici al fine di progettare strutture in acciaio caratterizzate da porosità con disposizione random compatibili con le limitazioni imposte dal processo produttivo di fusione laser selettiva.