Formability assessment for hybrid manufacturing

Rui Filipe Vieira Sampaio

Key information

Authors:

Rui Filipe Vieira Sampaio (Rui Filipe Vieira Sampaio)

Supervisors:

Carlos Manuel Alves da Silva (Carlos Manuel Alves da Silva); Ivo Manuel Ferreira de Bragança (Ivo Manuel Ferreira de Bragança); João Pedro da Fonseca Matos Pragana (João Pedro da Fonseca Matos Pragana)

Published in

May 30, 2025

Abstract

A integração de processos de deformação plástica em cadeias de fabrico híbrido leva a novas oportunidades para o projeto e produção de componentes personalizados, sendo a avaliação de limites de enformabilidade dos materiais utilizados essencial para o seu sucesso. No entanto, certas limitações persistem, tanto relacionadas com a avaliação de enformabilidade em chapa como em massa. O objetivo desta tese é, assim, abordar estas limitações, introduzindo novas geometrias de ensaio para a avaliação da enformabilidade em chapa e em massa e duas metodologias para o pós-processamento de dados experimentais. Para o caso da enformabilidade na massa, é proposta uma sequência geométrica à compressão para a caracterização dos limites de fratura em toda a gama de triaxialidade e a utilização da extrusão radial por duplo-efeito como teste de enformabilidade para metais altamente dúcteis. Para a enformabilidade em chapa, é proposto um provete cruciforme diagonal para caracterizar estados de tensão biaxiais sob carregamento uniaxial e sem influência do atrito, bem como um ensaio Nakajima sem matriz que permite testar materiais obtidos por fabrico aditivo. É proposto um novo método para calibrar valores críticos de dano, que tem em conta diferenças na acumulação de dano para diferentes estados de tensão, utilizando uma média ponderada de triaxialidade, em vez da instantânea. É desenvolvido um método para identificar o início de estricção difusa baseado na aceleração de deformação, revelando-se uma alternativa útil ao critério de força máxima quando as evoluções força–tempo são instáveis. Para agilizar o pós-processamento de dados de deformação na massa e na chapa a partir da correlação digital de imagens e auxiliar na investigação e educação em enformabilidade, foi desenvolvido um software que incorpora estas novas metodologias. Adicionalmente, o desenvolvimento de três novos processos híbridos ilustra a importância da enformabilidade em linhas híbridas que incluem a enformação plástica de metais. The integration of metal forming into hybrid manufacturing routes leads to new opportunities for part design and production, with an evaluation of formability limits of the utilized materials being essential for its success. Nevertheless, certain limitations persist, both related to sheet and bulk formability assessment. The objective of this thesis is thus to tackle some of these limitations by introducing novel test geometries for sheet and bulk formability evaluation and two methodologies to post-process experimental data. For the case of bulk formability, an upset geometry sequence for the characterization of fracture limits in the whole range of stress triaxiality and the utilization of double-action radial extrusion as a formability test for highly ductile metals are proposed. For sheet formability, a diagonal cruciform is proposed to characterize biaxial tension states under uniaxial loading and without an influence of friction, as well as a dieless Nakajima testing procedure that allows testing additively manufactured materials. A novel method to calibrate critical values of damage is proposed. It accounts for differences in damage accumulation between different stress states by using weighted average measures of stress triaxiality rather than instantaneous ones. A strain acceleration method is developed to identify the onset of diffuse necking, proving a useful alternative to the maximum force criterion whenever force–time evolutions are not stable. As a result, a software tool that incorporates these new methodologies was developed to streamline post-processing of sheet and bulk forming data from digital image correlation and assist research and education on formability. Additionally, the development of three novel hybrid processes illustrates the importance of formability analysis into hybrid workflows that include metal forming.