Linking directed energy deposition process toolpaths to FEM to study the toolpath/geometry role on residual stress formation for multi-layer components
Notice bibliographique
Résumé
Purpose This paper aims to investigate the use of the element-birth-and-death technique within the finite element method (FEM) to analyze direct energy deposition (DED) processes, an additive manufacturing (AM) technique. The focus is on understanding the interaction between different geometries and toolpaths in multi-layer depositions and establishing a foundation for generating optimal tool paths. The long-term goal of this research is optimizing thermal and structural performance, minimizing residual stress and improving overall part quality. Design/methodology/approach This study integrates DED toolpath vectors from process planning software into ANSYS to conduct thermal and structural analyses. This novel integration of design and process simulation enables a more accurate prediction of part quality. Four geometries and three toolpath strategies were analyzed, requiring the computational mesh domain to adapt to the toolpath characteristics. Experimental measurements validated the model, and the influence of dwell time intercooling on residual stress formation was explored. The research also compared the effects of various toolpath strategies and deposition patterns on the mechanical properties of the parts, highlighting the importance of toolpath generation for subsequent process certification and qualification activities. Findings The results show that shorter beads with longer dwell times lead to better part quality compared to longer beads with shorter laser-off intervals. A transverse deposition with identical dwell times produced the best part quality, despite requiring longer build times. In addition, frequent laser-off cycles were less effective at reducing high residual stress areas but resulted in lower average tensile stresses at mid-layers, though these cycles pose challenges for powder-based systems. This analysis helps in benchmarking and enhancing DED as an AM process. Originality/value This study offers a novel method of integrating DED toolpath characteristics into FEM-based simulations, providing valuable insights into the thermal and mechanical behavior of parts under various toolpath and geometry configurations. The research contributes to advancing the design-for-AM paradigm by demonstrating the critical role of thermal management and toolpath directionality in minimizing residual stress. This foundational work will support further research into more complex geometries and hybrid manufacturing techniques, aiding in the industrialization and optimization of DED processes.
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Comment cette classification a été obtenuedéplier
Prédiction machine sur la base complète
Imitation des enseignantsNi prévalence calibrée, ni vérité terrain. Validation humaine à venir. Le volet Gemma est une étiquette directe du modèle pour chaque travail de la base, lue sur la notice réduite au titre. Le volet Codex est un classifieur appris des 10 348 étiquettes directes de Codex et calibré sur les taux pondérés de l'échantillon; les champs sans appui suffisant ne portent aucun appel Codex. Le mode candidate est l'union des deux volets; le consensus est leur intersection. Ces sorties portent le statut machine_predicted_unvalidated et ne sont pas des étiquettes humaines.
Scores du classifieur distillé par catégorie (deux têtes)
| Catégorie | Codex | Gemma |
|---|---|---|
| Métarecherche | 0,000 | 0,001 |
| Méta-épidémiologie (sens strict) | 0,000 | 0,000 |
| Méta-épidémiologie (sens large) | 0,000 | 0,000 |
| Bibliométrie | 0,000 | 0,000 |
| Études des sciences et des technologies | 0,000 | 0,000 |
| Communication savante | 0,000 | 0,000 |
| Science ouverte | 0,000 | 0,000 |
| Intégrité de la recherche | 0,000 | 0,000 |
| Charge utile insuffisante (le modèle a refusé de juger) | 0,001 | 0,000 |
Scores machine (provisoires)
Les deux têtes enseignantes du modèle étudiant, lues sur ce travail. Un score ordonne la base pour la relecture; il n'affirme jamais une catégorie, et le statut de validation accompagne chaque rangée tel quel.
Scores de référence d'un modèle non mature (critères de maturité non atteints, 7 itérations). Un score ordonne; il n'affirme jamais une catégorie.
score_only:v0-immature-baseline · tel quel depuis la passe de notation : score_only signifie que le nombre peut ordonner les travaux, et qu'aucune étiquette de catégorie n'en découleClassification
machine, non validéePrédiction automatique; un appel candidat d’une seule source (Gemma direct ou Codex distillé), pas un consensus.
Le détail, modèle par modèle et score par score, se trouve en fin de page sous « Comment cette classification a été obtenue ».