Autor/a: SETIEN UGALDE, IÑAKI
Tesis completa: (contacta con la
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Programa: INGENIERÍA CIVIL
Departamento: Escuela Técnica Superior de Ingeniería de Caminos, Canales y Puertos de Barcelona (ETSECCPB)
Modalidad: Compendio de publicaciones
Fecha de depósito: 10/04/2025
Fecha de lectura: 05/06/2025
Hora de lectura: 11:00
Lugar de lectura: Campus Nord - UPCCIMNE - Edifici C1 C/ Gran Capità,s/nSala OCZ (Zienkiewicz)08034, Barcelona https://meet.google.com/nvd-fqgp-gsc
Director/a de tesis: CHIUMENTI, MICHELE | SAN SEBASTIÁN ORMAZABAL, MARÍA
Resumen de tesis: La fabricación aditiva de metales, en particular la fusión de lecho de polvo mediante láser (\textit{PBF-LB, por sus siglas en inglés, Powder Bed Fusion - Laser Beam}), ha revolucionado la manufactura industrial al permitir la fabricación directa de componentes metálicos complejos y optimizados a partir de modelos digitales. Este proceso ofrece varias ventajas clave, como una mayor eficiencia en el uso de material, flexibilidad geométrica y la capacidad de producir piezas con diseños avanzados. No obstante, los rápidos ciclos térmicos inherentes a la fabricación aditiva capa por capa generan altos gradientes térmicos. Esto da lugar a tensiones residuales y distorsiones que comprometen la precisión dimensional y la integridad estructural de las piezas, limitando su adopción a nivel industrial. Las simulaciones termo-mecánicas basadas en el método de elementos finitos (MEF) permiten predecir estos efectos con alta fidelidad, pero su elevado coste computacional restringe su aplicabilidad en entornos industriales. Como alternativa, el método de la deformación inherente (\textit{ISM, por sus siglas en inglés, Inherent Strain Method}) simplifica el problema al condensar los efectos termo-mecánicos en un tensor de deformaciones aplicable en simulaciones elásticas. Sin embargo, la determinación de este tensor sigue siendo un desafío, lo que afecta la fiabilidad de sus predicciones en geometrías industriales complejas. Esta tesis presenta un método mejorado de deformación inherente (\textit{EISM, por sus siglas en inglés, Enhanced Inherent Strain Method}), que mejora la capacidad predictiva del ISM integrando un análisis térmico a escala macro con el ISM original. Así, el tensor de deformación inherente es modificado dinámicamente en función de la evolución térmica global de la pieza. Esta mejora permite incorporar los efectos térmicos específicos de la geometría y las condiciones de contorno. Por otra parte, se desarrollaron dos estrategias complementarias para la determinación del tensor de deformación inherente: (1) una estrategia empírica, basada en la calibración con cupones de doble ménsula donde las distorsiones medidas tras un corte parcial permiten la determinación del tensor mediante ingeniería inversa, y (2) una metodología numérica basada en modelos locales termo-mecánicos detallados que aplican técnicas de homogenización dentro de un marco multiescala. La calibración y validación experimental de las metodologías se realizó mediante componentes de Ti-6Al-4V fabricados mediante \textit{PBF-LB}. Se llevaron a cabo mediciones de temperatura mediante termopares embebidos, así como mediciones de distorsiones y tensioenes residuales utilizando máquinas de medición por coordenadas (MMC), escaneo 3D y perforación incremental (\textit{HD, por sus siglas en inglés, Hole Drilling}), respectivamente. Se analizaron diferentes geometrías, incluyendo vigas de doble ménsula, un puente no simétrico y un componente aeroespacial industrial (\textit{Steady Blowing Actuator}). Los resultados demostraron que el EISM mejora significativamente la predicción de distorsiones respecto al ISM convencional, reduciendo el error a menos de la mitad y con un coste computacional asumible. En conclusión, esta tesis presenta dos métodos para calcular el tensor de deformación inherente (empírico y numérico) e introduce la metodología EISM para la predicción de distorsiones, mejorando la precisión en la predicción de distorsiones en PBF-LB. De este modo, se reduce la dependencia de ensayos experimentales basados en prueba y error, avanzando hacia un diseño optimizado mediante simulación y facilitando la adopción industrial de la fabricación aditiva de metales.