Sviluppo e validazione di un framework numerico-sperimentale per l'ottimizzazione del processo di Directed Energy Deposition di componenti a parete sottile in superlega a base di Nichel

This thesis focuses on developing a combined numerical-experimental approach to optimize the Directed Energy Deposition (DED) process for producing Inconel 625 components featuring thin-walled geometries and internal cooling channels. Initially, the work centers on producing and characterizing simplified thin-walled components designed to represent, in a controlled manner, the key challenges associated with more complex geometries. This approach enables the assessment of structural manufacturability, the analysis of integrity in the overlap regions between deposited beads, and the study of how key process parameters influence the component's thermo-mechanical, geometric, and microstructural behavior. Concurrently, a finite element method (FEM) simulation framework is developed and validated to predict thermal histories, geometric distortions, and residual stress distributions generated during the deposition process. Particular emphasis is placed on evaluating the model's predictive robustness and analyzing the sensitivity of numerical predictions to process parameter variations, aiming to identify the configurations that are most reliable and representative of actual behavior. Integrating experimental results with numerical simulations also allows for correlating process conditions with microstructural evolution, defect formation, surface quality, and component performance, thereby providing a deep understanding of the phenomena governing the DED process. Once validated on simplified geometries, the numerical-experimental framework serves as a design tool for analyzing and optimizing components with greater geometric complexity, such as thin-walled structures incorporating internal cooling channels. The ultimate goal is to demonstrate how a simulation-based approach can support the optimization of the production process, reduce the number of required experimental trials, and accelerate the qualification of new components manufactured using Directed Energy Deposition.

Il presente lavoro di tesi si inserisce nell'ambito dello sviluppo di un approccio numerico-sperimentale per l'ottimizzazione del processo di Directed Energy Deposition (DED) applicato alla produzione di componenti in Inconel 625 caratterizzati da geometrie a parete sottile e canali di raffreddamento interni. In una prima fase, l'attività è focalizzata sulla produzione e caratterizzazione di componenti semplificati a parete sottile, progettati per rappresentare in maniera controllata le principali criticità tipiche delle geometrie più complesse. Tale approccio consente di valutare la producibilità delle strutture, analizzare l'integrità delle regioni di sovrapposizione tra cordoni di materiale e studiare l'influenza dei principali parametri di processo sul comportamento termo-meccanico, geometrico e microstrutturale del componente. Parallelamente, viene sviluppato e validato un framework di simulazione agli elementi finiti (FEM), finalizzato alla previsione delle storie termiche, delle distorsioni geometriche e della distribuzione delle tensioni residue generate durante il processo di deposizione. Particolare attenzione è rivolta alla valutazione della robustezza predittiva del modello e all'analisi della sensibilità delle previsioni numeriche alle variazioni dei parametri di processo, al fine di individuare le configurazioni più affidabili e rappresentative del comportamento reale. L'integrazione tra risultati sperimentali e simulazioni numeriche consente inoltre di correlare le condizioni di processo con l'evoluzione microstrutturale, la formazione dei difetti, la qualità superficiale e le prestazioni del componente, fornendo una comprensione approfondita dei fenomeni che governano il processo DED. Una volta validato sulle geometrie semplificate, il framework numerico-sperimentale viene impiegato come strumento di progettazione per l'analisi e l'ottimizzazione di componenti di maggiore complessità geometrica, quali strutture a parete sottile con canali di raffreddamento interni. L'obiettivo finale è dimostrare come un approccio basato sulla simulazione possa supportare l'ottimizzazione del processo produttivo, ridurre il numero di prove sperimentali necessarie e accelerare la qualificazione di nuovi componenti realizzati mediante Directed Energy Deposition.