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Making gradient in the microstructure of metals is proven to be a superior method for improving their mechanical properties. In this research, we 3D print, characterize and evaluate the mechanical properties of 316L Stainless Steel with a gradient in their microstructure. During 3D printing, the gradient in the microstructure is created by tailoring the processing parameters (hatch spacing, scanning speed, and laser power and scanning speed) of the Selective Laser Melting (SLM). The Materials with Graded Microstructure (MGMs) are characterized by optical and scanning electron microscopy (SEM). Image processing framework is utilized to reveal the distribution of cells and melt pools shapes and sizes in the volume of the material when the processing parameters change. It is shown that the laser power, scanning speed and the hatch spacing have a more significant effect on the size and shape of cells and melt pools compared to the speed. Multiple Dog bones are 3D printed with a microstructure that has smaller features (cells and melt polls) at the edges of the structure compared to the center. Tensile and fatigue tests are performed and compared for samples with constant and graded microstructures. / Master of Science / The mechanical performance of Selective Laser Melting (SLM) fabricated materials is an important topic in research. Strengthening the performance of these materials can be achieved through implementing a gradient within the microstructure, referred to as Materials with Graded Microstructure (MGMs). A complicated microstructure can weaken the microstructure, and this can be resolved by optimizing the microstructure during SLM 3D printing, in which the processing parameters are tailored. In this study, the mechanical properties of these MGMs were characterized and evaluated. The gradient in these materials were created by modifying SLM process parameters (scanning speed, hatch spacing, and laser power and scanning speed) during the build. Optical and scanning electron microscopy (SEM) was used to characterize these the microstructure of these MGMs, and image processing was used to examine the distribution of cells and melt pools characteristics throughout the region where the processing parameters changed. This investigation shows that laser power, scanning speed, and hatch spacing have a direct effect on the size and shape of the cells and melt pools, compared to scanning speed, which shows an effect on melt pools. Dog bone structures are 3-D printed with a graded microstructure that has small cells and melt pools at the edges, compared to the center, by changing the laser power and scanning speed. Tensile and fatigue analysis are performed and compared for samples with constant and graded microstructures, which reveal that the mechanical properties of the MGMs perform similar to the parameter at the edges, but differently in fracture mechanics.

Über die additive Fertigung, oftmals bezeichnet als 3D-Druck, lassen sich Bauteile nahezu beliebiger geometrischer Komplexität herstellen. Gleichzeitig lassen die Prozessrandbedingungen die direkte Einstellung der Mikrostruktur in den verwendeten metallischen Werkstoffen zu. Hieraus ergeben sich weitreichende Möglichkeiten bezüglich der Eigenschaftsoptimierung aktueller Hochleistungswerkstoffe.

Le procédé de fusion sélective par laser (SLM) d’un lit de poudre métallique, est un procédé de fabrication additive qui permet de fabriquer des pièces de forme complexe directement à partir d’un fichier CAO en passant par la fusion totale de couches de poudre déposées successivement. Au cours du procédé SLM l’apport d’énergie du laser à la cible engendre de nombreux cycles thermiques: fusion – vaporisation – solidification. Dans ce contexte, cette thèse a pour double objectif :1) une meilleure caractérisation et compréhension des phénomènes qui se produisent lors de l’interaction du faisceau laser avec la poudre et le bain de métal fondu à l’aide d’essais et 2) le développement d’un modèle numérique prenant en compte les phénomènes de fusion et de vaporisation de la matière ainsi que à la présence du gaz environnant à l’intérieur de la chambre de fabrication.Dans un premier temps, en considérant des géométries simples (cordons et surfaces) en acier inoxydable 316L, on a étudié l’interaction faisceau laser - lit de poudre / bain liquide métallique par différentes méthodes de diagnostics (spectrométrie, calorimètre, …) pour comprendre la nature et le rôle de la vapeur métallique générée au cours du procédé. Les résultats ont montré que cette vapeur est sans effet sur la transmission de l’énergie du laser à la matière au cours du procédé SLM. Par contre, elle conduit à la formation de condensats et peut aussi entrainer des gouttelettes de métal fondu.Ces analyses ont permis, dans un second temps, de développer un modèle numérique qui a pour objectif principal de caractériser l’influence de la pression du milieu environnant sur le processus de fusion du lit de poudre par le faisceau laser. Des paramètres caractérisant l’évolution des propriétés physiques du matériau et du milieu gazeux en fonction de la température et de la pression ont été intégrés dans les bases de données du modèle. Ces paramètres physiques du matériau ont été déterminés à partir de la littérature et d’autres ont été obtenus empiriquement à l’aide de mesures expérimentales spécifiques.Ce modèle numérique a été utilisé pour traiter le sujet principal de la thèse, à savoir celui de l’effet de la pression. Le modèle a permis de préciser les phénomènes physiques inhérents à la variation de la pression. Des manipulations expérimentales ont permis de vérifier la pertinence des données du modèle numérique proposé. / The selective laser melting process (SLM) of a metallic powder bed is an innovative process that allows the manufacturing of complex shape parts directly from a CAD file via a complete melting of powder layers deposited successively. During the SLM process, the high laser energy density creates many thermal cycles: melting - vaporization - solidification.The purpose of this work was: 1) to better characterize and understand experimentally the phenomena that occur during the laser beam - powder / molten metal pool interaction and 2) to develop a numerical model taking into account the phenomena of melting and vaporizing of the material and the presence of the surrounding gas in the build chamber.In a first time, considering simple geometries (tracks and surfaces) and 316L stainless steel as material, we studied the interaction between the laser beam, the powder bed and the liquid metal pool using several experimental techniques (spectrometry, calorimetry, ...) in order to understand the nature and the role of the metal vapor generated during the process. The results showed that the vapor has no effect on the transmission of the laser beam energy to the material during the SLM process. Meanwhile it leads to the deposition of condensed vapor and also drag some molten metal droplets.In a second time a numerical model was developed to determine the influence of the pressure of the surrounding environment on the melting process of a powder bed by a laser beam. Parameters characterizing the evolution of the physical properties of the material and of the gaseous medium according to the temperature and pressure were incorporated into the model database. Some material parameters were determined from the literature and others were obtained empirically using specific experimental measurements.Finally, this numerical model, complementing experimental results, was used to treat the main subject of the thesis which is the effect of the surrounding pressure on the SLM process. The model helped to clarify the physical phenomena provided by the change in the pressure level and its validity was checked through experimental measurements.

La micro fusion laser d'un lit de poudre (SLM) permet la réalisation de pièces complexes avec des microstructuresfines. Cette technologie présente de nombreux avantages mais se heurte encore à une faible disponibilité des poudres d'alliages. En SLM, la pièce est d'abord conçue par CAO (conception assistée par ordinateur), puis construite couche par couche avec un faisceau laser commandé par un ordinateur. Dans ce cadre, le travail effectué dans cette thèse a consisté à étudier et à développer une nouvelle méthode pour réaliser des pièces en alliages et en composites à partir de mélanges de poudres élémentaires, ouvrant ainsi la voie à une grande variété de compositions.Au niveau expérimental le choix s'est porté sur le système aluminium-silicium avec différentes teneurs en silicium (12, 18 et 50% en poids). L'effet de l'ajout d'un champ magnétique statique a aussi été proposé comme un outil supplémentaire de contrôle de la microstructure.Dans le processus de fabrication de pièces par SLM la puissance du laser et la vitesse de balayage déterminent au premier chef la densité, la microstructure, la composition des phases et les propriétés mécaniques du produit. Une analyse systématique de l'effet de ces paramètres sur l'alliage Al - Si fabriqué par SLM à partir de mélanges de poudres est présentée. Des alliages ont été ainsi obtenus pour plusieurs domaines de composition visés correspondant à des applications pratiques (structures légères, système tribologique, emballage électronique, ...).Les microstructures fines obtenues grâce à la solidification rapide des matériaux fondus conduit à des propriétés quise comparent de façon favorable à celles obtenues avec les techniques classiques d'élaboration et de mise en oeuvre. / As a new manufacturing technology, Selective laser melting (SLM) has a large potential in the manufacturing of complex parts with ultrafine microstructure.Selective laser melting has many significant advantages over traditional manufacturing methods but still faces a low availability of powder materials. With SLM, the part is firstly designed via 3D computer-aided design (CAD)), then built layer-by-layer with a high energy computer-controlled laser beam The work done in this study was therefore aiming at developing a new way to obtain alloys and composites directly from elemental powder mixtures with a large composition flexibility.Experimentally the choice was made of the aluminum-silicon system with several silicon contents (12, 18, 50 wt. %).Adding a static magnetic field was also considered as an additional way to control the microstructure. When parts are manufactured by SLM, laser power and scanning speed are the main parameters determining the density, microstructure, phase composition and mechanical properties. A systematic analysis of the role of these parameter on the manufacturing of Al - Si alloys by SLM from mixtures of powders was therefore conducted. Al - Si alloys with a very fine microstructure were thus obtained for several composition ranges corresponding to practical applications (lightweight structures, high wear resistance alloys, electronic packaging material, ...). The properties of the materials obtained in this way, according to the performed characterizations, compares favorably with those obtained via the conventional production technologies.

La problématique initiale part du constat que les échecs d’implants sont souvent causés par une inadéquation entre les propriétés élastiques de l’os et celles de l’implant. Aujourd’hui, ce problème de biocompatibilité mécanique suscite un intérêt croissant et a conduit au développement d’alliages de titane β-métastables qui possèdent un module d’élasticité faible, moitié moindre que celui de l’alliage Ti-6Al-4V classiquement utilisé dans les applications d’implantologie. De plus, les structures architecturées ou treillis font, elles aussi, l’objet d’intenses recherches dans le but de réduire le module d’élasticité et de maximiser la résistance. Leur mise en forme, avec une maîtrise précise de l’architecture, est possible grâce à la fabrication additive et les nombreuses possibilités qu’elle offre : liberté de design, gain matière, pièces complexes, customisation de masse... Ce travail de thèse porte sur la mise en œuvre de l’alliage de titane à bas module d’élasticité Ti-26Nb(%at.) par la technologie de fusion laser sur lit de poudres. Une stratégie d’élaboration in situ de ces alliages à partir de poudres élémentaires de Ti et de Nb est explorée, à la fois pour permettre d’éventuels ajustements de composition, et pour pallier au manque de disponibilité des alliages de titane sous forme de poudres. La démarche est réalisée avec deux morphologies de poudre, irrégulière et sphérique. Les effets des nombreux paramètres de ce procédé (puissance du laser, vitesse et stratégie de balayage...) sur l’homogénéité et la porosité des pièces élaborées sont quantifiés. Un alliage homogène peut être obtenu sous réserve de l’utilisation d’une densité d’énergie adaptée et d’une granulométrie de poudre tenant compte des températures de fusion respectives des éléments. La caractérisation de la microstructure met en évidence une texture marquée, dépendante de la stratégie de balayage. Les pièces élaborées présentent un bas module d’élasticité associé à une résistance mécanique élevée, avec une déformation élastique favorable par rapport à un alliage de référence coulé. Par ailleurs, un algorithme d’optimisation est développé et permet de contrôler les propriétés mécaniques d’une structure architecturée à partir de ses paramètres géométriques (rayon, longueur et orientation des poutres). La combinaison de cet alliage de titane à bas module d’élasticité et d’une structure architecturée développée à partir ce cet algorithme a été appliqué à une prothèse totale de hanche, qui a fait l’objet de simulations par éléments finis. L’évaluation du phénomène de stress-shielding montre que, comparativement à un modèle massif plus rigide, ce type de prothèse permet de réduire de façon significative la déviation des contraintes. En se rapprochant du modèle dit physiologique, cette prothèse peut être qualifiée de « biomimétique » sur le plan du comportement mécanique / The initial problematic arises from the fact that implant failure is often caused by a mismatch between the elastic properties of the bone and those of the implant. Nowadays, an increasing interest is given to this mechanical biocompatibility and led to the development of β-metastable titanium alloys that possess low Young’s modulus, about half that of the conventionally used Ti-6Al-4V alloy. Moreover, lattice structures are currently being the subject of many investigations with the aim of achieving low Young’s modulus and high strength. Their fabrication, with accurate control over the architecture, is made possible thanks to additive manufacturing processes and the several possibilities they offer: design freedom, reduced material usage rate, complex shapes, mass customisation... The present work focuses on the implementation of low modulus titanium alloy Ti-26Nb(at.%) by the means of selective laser melting. An in situ elaboration strategy, based on a mixture of elemental powders, is explored in order to allow potential composition adjustments and to overcome the unavailability of titanium alloy powders. The approach is carried out using two distinct powder morphologies, spherical and irregular. The effects of the numerous parameters of the process (laser power, speed, scanning strategy...) on homogeneity and porosity of the manufactured parts is quantified. A homogeneous alloy can be obtained subject to the use of suitable energy density levels and powder size distributions that take into account the respective fusion temperatures of both elements. Microstructure characterisation highlights a pronounced texture resulting from the scanning strategy. The elaborated samples display a low Young’s modulus associated with a high strength, and hence a favourable strength to elastic modulus ratio compared to the reference cast alloy. Furthermore, an optimization algorithm is developed and allows controlling the mechanical properties of a lattice structure with its geometrical parameters (radius, length and orientation of struts). The combined use of this low Young’s modulus titanium alloy with a lattice structure developed through this algorithm was applied to the design of a total hip prosthesis that was subjected to finite element simulations. Stress-shielding evaluation shows that, compared to a solid design, this kind of prosthesis permits to reduce stress-shielding significantly. By getting closer to a physiological model, this prosthesis can be qualified as “biomimetic” in terms of mechanical behaviour

La fusion Sélective Laser (SLM), en tant que procédé de fabrication additive, permet la conception de formes complexes par une méthode de construction couche par couche, à partir d’un lit de poudre. L’interaction entre la poudre et l’onde électromagnétique est encore trop peu maîtrisée pour stabiliser efficacement la zone de fusion, et optimiser l’énergie utilisée lors du procédé. Cette étude a pour objectif : (a) la compréhension et la maîtrise des mécanismes de mise en couche par rouleau, propre aux machines SLM Phenix; (b) l’analyse et la quantification des évolutions morphologiques et microstructurales de cordons de fusion en fonction des paramètres du procédé SLM et des paramètres du lit de poudre définis précédemment ; (c) l’élaboration d’un modèle thermique et microstructurale représentatif de l’édification de cordons unitaires par le procédé SLM. Lors de cette étude, le procédé de mise en couche par rouleau a été étudié, et modélisé, afin de contrôler les épaisseurs et taux de compacités du lit de poudre. Les caractéristiques des cordons unitaires de Ti6Al4V produits par SLM ont pu alors être analysées en fonction des paramètres du lit de poudre et des paramètres énergétiques. Cette démarche a pour but de quantifier l’impact du conditionnement du lit de poudre sur le mécanisme de fusion SLM. Par la suite, une analyse fine et une reconstitution microstructurale a pu en être dégagée. Enfin, un modèle thermique radiatif couplé à une prédiction microstructurale des cordons unitaires a pu être élaboré, permettant ainsi une compréhension approfondie du mécanisme de fusion. / Selective Laser Melting (SLM), through additive manufacturing process, allows the conception of specific shapes through a layer-by-layer building method from a powder bed. The emphasis between processing parameters as, laser power, scan speed, scan strategy… has already been well investigated for a wide panel of material. Nevertheless, the powder interaction with electromagnetic waves remains a topical issue to handle the stabilization of the melting pool, and optimize the amount of energy used within the process.The purpose of this survey is : (a) the understanding and handling of powder bed layering mechanism through SLM Phenix rolling blade ; (b) the analysis and quantification of morphological and microstructural evolutions single tracks according to SLM process and powder bed parameters ; (c) development of a thermal and microstructural model standing for post SLM single tracks edification.First of all, the process of powder spreading by rolling blade has been investigated in order to tame and modelize the porosity and effective thickness of the powder bed. Thereafter, characteristics of Ti6Al4V single tracks produced by SLM were analyzed according to process and bed powder parameters. This approach tends to quantify the impact of the powder bed packing on the SLM melting mechanism. Accordingly, fine microstructural analysis and reconstruction have been extracted. Finally, a radiative thermal model linked to a microstructural prediction of single tracks has been settled, leading to a deeper understanding of the melting mechanism.

<p>There has been a long-standing need in the marketplace for the economic production of small lots of components that have complex geometry. A potential solution is additive manufacturing (AM). AM is a manufacturing process that adds material bottom-up. It has the distinct advantages of low preparation cost and high geometric creation capability. Components fabricated via AM are now being selectively used for less-demanding applications in motor vehicles, consumer products, medical products, aerospace devices, and even some military projects.</p><p><br></p> <p>For engineering applications, high value-added components require consistency in the fatigue properties. However, components fabricated by AM have large variation in the fatigue properties compared to those by conventional manufacturing processes. To alleviate unpredictable catastrophic failures of components, it is essential to study and predict fatigue life. Previous study reported that fatigue crack initiation process accounts for a large portion of fatigue life, especially for low loading amplitude and high cycle fatigue. However, this major portion of fatigue life prediction is mostly ignored by main stream researchers working on fatigue modeling. For industrial applications, engineers often specify a lower stress condition to obtain a higher safety factor. Under these circumstances, fatigue crack initiation becomes even more important, so it is essential to further study of crack initiation.</p><p><br></p> <p>The objective of this research is to develop a fatigue crack initiation model for metal components produced by AM. To improve life prediction accuracy, the model must incorporate the effect of different microstructures, which are typically produced by AM due to a large number of repetitive cycles of re-heating and re-cooling processes. To fulfill this objective, the tasks are separated into three studies: (1) developing a temperature model to simulate temperature history, (2) modeling the component’s microstructure for the potential crack initiation zone, and (3) developing a fatigue crack initiation model for life estimation. A summary of each task is provided in the following.</p> <p>First, the role of temperature model is to understand the mechanism that leads to the variation of microstructures. The existing temperature models are computationally expensive to obtain an accurate prediction of the temperature history due to repetitive heating and cooling. The main reason is that these models considered entire boundary conditions of all the material points. In this section, we proposed and employed the concept of effective computation zone, which can save the computational time significantly for AM process. </p><p><br></p> <p>Second, it is critical to include the effect of microstructure in the fatigue life model since the microstructure variation at different locations within the real AM component is large. The grain size variation is modeled by using representative volume element, which is defined as a volume of heterogeneous material that is sufficiently large to be statistically representative of the real component’s microstructure. Regarding phase transformation, a continuous cooling transformation (CCT) diagram is a useful tool that can be used with a thermal model for microstructure design and manufacturing process control. However, traditional CCT diagrams are developed based on slow and monotonic cooling processes such as furnace cooling and air cooling, which are greatly different from the repetitive heating and cooling processes in AM. In this study, a new general methodology is presented to create CCT diagrams for materials fabricated by AM. We showed that the effect of the segmented duration within the critical temperature range, which induced precipitate formation, could be cumulative. </p><p><br></p> <p>Third, the existing fatigue crack initiation life model has poor accuracy. One of the reasons for the poor accuracy is the coefficients change due to the variation in microstructure is not accounted for. In this section, a semi-empirical fatigue crack initiation model is presented. The important coefficients include maximum persistent slipband width, energy efficiency coefficient, resolved shear stress and plastic slip rate per cycle. These coefficients are modeled and determined as a function of microstructure, which can improve the accuracy of life estimation.</p><p><br></p> <p>The contribution of this study is to provide a new engineering tool for designing the melting AM process based on scientific research. With this tool, the fundamental mechanism contributing to a large variation of the fatigue life of the metal components made by AM process can be understood, attributed, predicted and improved. The seemly ‘stochastic’ nature of fatigue life of the AM components can be changed to be more deterministic and predictable. This approach represents a major advance in fatigue research on AM materials. The model developed is considered as a tool for research, design, and control for laser-based AM process applications. </p>

For the purpose of mechanical impact energy absorption in the transport industry are mainly used special profile absorbers. For highly specialized applications is required to use components that are designed for specific kind of deformation. Example of these parts are industrial-made metal foams or micro-lattice structures produced by SLM technology. This paper focuses on low-velocity dynamic loading prediction of BCC micro-lattice structure made of aluminum alloy AlSi10Mg by SLM technology (SLM 280HL). For this purpose dynamic FEM simulaton of the micro-lattice structure was developed, supplemented by model of BCC structure material obtained from mechanical testing. Real geometry of tested samples obtained from optical measurement (Atos Triple Scan III) was further implemented in the numerical model. Dynamic BCC structure load experiment was performed on a drop-weight tester. Behavior of structured material in drop-weight test was described by the course of deformation and reaction forces over time. Comparable results were obtained for flat loading of dynamic FEM simulation and experiment. Inclusion of production phenomena in simulation led to increased accuracy and compliance with experiment. Tool for testing the effect of geometry change on mechanical properties was created. To achieve more accurate results with puncture load, it is necessary to modify the material model with real material deformation at test sample failure.

Předložená dizertační práce je součástí většího výzkumného projektu, který si klade za cíl využití mikro prutové konstrukce vyrobené technologií SLM jako absorbér rázové energie s přesně navrženými vlastnostmi. Hlavním cílem práce je vývoj numerického modelu deformačního chování mikro-prutové konstrukce vyrobeného technologií Selective Laser Melting (SLM) z materiálu AlSi10Mg. Aby bylo možné dosáhnout hlavního cíle dizertační práce, bylo nutné analyzovat vliv procesních parametrů technologie SLM na tvorbu vnitřních materiálových vad a drsnost povrchu při výrobě mikro-prutové konstrukce. Tyto imperfekce degradují její mechanické vlastnosti a jejich odstranění zlepší možnosti a přesnost numerické predikce. Výsledky ukazují významný vliv dvou hlavních parametrů – skenovací rychlosti laseru a výkonu laseru. Na základě těchto poznatků byly dále definovány parametry vstupní energie Ein a lineární energie Elin, které zahrnují oba zmíněné parametry a byly definovány jejich limitní hodnoty pro minimalizaci vzniklých imperfekcí. Deformační chování vyrobené mikro-prutové konstrukce bylo analyzováno na navrženém pádové zařízení, které umožňuje testování s dopadovou energií až 120 J. Deformační chování je vyhodnocováno s využitím obrazové analýzy záznamu vysoko rychlostní kamery a silového průběhu z tenzometru. Výsledky analýzy byly využity pro validaci numerického modelu v programu ANSYS Explicit, do kterého byly implementovány poznatky o reálném tvaru vyrobeného mikro-prutového materiálu ve formě eliptického modelu geometrie a informace o reálných mechanických vlastnostech ve formě vyvinutého materiálového modelu. Výsledné porovnání výsledků experimentu s predikcí numerického modelu ukazují dobrou shodu v místě maximálního zatížení Fmax (odchylka 5 %) i průběhu celé deformace vzorku. Tyto poznatky budou v budoucnu využity při návrhu absorbéru energie s definovanými mechanickými vlastnostmi.