Tools for fatigue assessment and qualification of AM components

Laser powder bed fusion enables the production of components with high geometrical freedom and optimal mechanical performance. However, the presence of process-induced defects significantly affects their fatigue behavior, limiting the application in mission-critical contexts. In this sense, the assessment of defects and their impact on fatigue life is a key aspect for structural integrity verification. However, several open points remain in the assessment of defects. In particular, deterministic damage tolerance procedures rely on conservative assumptions on defect size and location, neglecting the contribution of the reliability of non-destructive evaluations expressed as defect detection and sizing. In probabilistic analyses, moreover, it is necessary to clearly establish the uncertainty introduced by different fatigue strength models. These limitations are significant with critical defects that are comparable to or smaller than the detection capability of the inspection method. The present doctoral thesis addresses these gaps by developing a fracture mechanics-based framework for the probabilistic assessment of parts, integrating defect characterization, inspection reliability and fatigue strength modeling. X-ray micro-computed tomography is employed to characterize defect populations, and its reliability is quantified through probability of detection and sizing error analyses. These statistical tools are incorporated into a detection-informed probabilistic assessment approach, allowing the evaluation of the probability of failure of a component based on detected anomalies while accounting for undetected defects and measurement uncertainty. In parallel, different fracture mechanics-based stress–defect–life relationships are critically compared. An assessment methodology based on explicit crack propagation calculations is identified as the most accurate and versatile solution, and is implemented within the ProFACE software. The uncertainty associated with the fatigue strength model is quantified and implemented into the analysis, enabling a consistent evaluation of its impact on failure probability. The proposed methodologies are validated through experimental campaigns on fatigue specimens and components manufactured in various alloys. The results show that the integration of detection’s reliability and model uncertainty significantly improves the accuracy and robustness of fatigue life predictions, providing a more realistic estimation of component reliability. Overall, the thesis demonstrates that a probabilistic, detection-informed fracture mechanics framework represents an effective tool for the qualification of additively manufactured components, enabling a consistent link between inspection capability, defect population and structural integrity requirements.

La fusione a letto di polvere è una tecnologia che permette la produzione di componenti con larga libertà geometrica e con proprietà meccaniche ottimizzate. Tuttavia, la presenza di difetti di processo penalizza il loro comportamento a fatica, limitando le loro applicazioni nei settori più critici. In tal senso, lo studio dei difetti è alla base della valutazione dell'integrità strutturale. In ogni caso, vi sono diversi punti aperti. In particolare, i tradizionali metodi deterministici di valutazione si basano su assunzioni conservative e non includono il contributo dell'affidabilità dei metodi d'ispezione per l'identificazione della posizione e della dimensione del difetto. Nelle analisi probabilistiche, inoltre, si rende necessario valutare l'impatto dell'incertezza relativa al modello di resistenza a fatica adottato. Tali limitazioni hanno un impatto maggiore quando la dimensione dei difetti critici si avvicina alla dimensione dei difetti identificabili in maniera affidabile mediante controlli non distruttivi. Questa tesi di dottorato affronta tali temi con lo sviluppo di un metodo di valutazione di difetti basato sulla teoria della meccanica della frattura, integrando la caratterizzazione dei difetti, l'affidabilità delle ispezioni e la modellazione della resistenza a fatica in un approccio probabilistico. La tomografia computerizzata a raggi X viene adottata per descrivere le popolazioni di difetti, e la sua affidabilità è discussa per mezzo della probabilità di osservazione e dell'errore di dimensionamento dei difetti. In parallelo, diversi approcci basati sulla meccanica della frattura sono paragonati, al fine di ottenere una relazione tra sforzo, vita e dimensione del difetto adatta per l'analisi di tali anomalie. La metodologia proposta è validata con diversi componenti e diverse leghe metalliche. I risultati mostrano il miglioramento della valutazione dell'integrità strutturale di componenti dovuto all'introduzione dell'affidabilità delle ispezioni. In generale, la tesi mostra che un approccio di tipo probabilistico e che sfrutti l'informazione dei controlli non distruttivi sia uno strumento efficace per la qualifica di componenti ottenuti per manifattura additiva.