Wire arc additive manufacturing components fatigue life and stress concentration evaluation using finite element analysis

Abstract

This thesis explores the fatigue performance of wire arc additive manufacturing components, with an emphasis on the effects of surface quality on fatigue performance. This thesis consists of a literature review and an experimental part. The literature review discusses WAAM and its applications as well as its fatigue behavior, highlighting the effects of poor surface quality on the fatigue performance of as-built WAAM components. In the experimental part, six as-built WAAM components made with high strength X96 steel filler wire will be evaluated for their fatigue performance using finite element analysis, the theory of critical distances and uniaxial fatigue tests.

The fatigue tests resulted in FAT classes of 151MPa with a slope of m=4.25 and 110MPa with a slope of m=3. The finite element analysis and the theory of critical distances resulted in an average fatigue notch factor of 1.77.

Tämä kandidaatin työ tutkii lankaan ja valokaareen perustuvalla suorakerrostusmenetelmällä tuotettujen kappaleiden väsymiskestävyyttä painottaen pinnan laadun vaikutusta väsymiskestävyyteen. Tämä työ koostuu sekä kirjallisuuskatsauksesta että kokeellisesta osuudesta. Kirjallisuus katsauksessa käsitellään lankaan ja valokaareen perustuvaa suorakerrostusmenetelmää ja sen sovelluksia sekä sen väsymisominaisuuksia korostaen heikon pinnanlaadun vaikutuksia kappaleiden väsymiskestävyyteen. Kokeellisessa osuudessa tutkitaan kuuden lujasta X96 täytelangasta lankaan ja kaareen perustuvalla suorakerrostuksella valmistetun kappaleen väsymiskestävyyttä käyttäen elementtimenetelmää, kriittisten etäisyyksien teoriaa (theory of critical distances) ja uniaksiaalisia väsymiskokeita.

Väsymiskokeet johtivat FAT luokkiin 151MPa kulmakertoimella m=4.25 ja 110MPa kulmakertoimella m=3. Elementtimenetelmällä ja kriittisten etäisyyksien teorialla saatiin lovenvaikutuslukujen keskiarvoksi 1.77.