Metal additive manufacturing, in particular laser powder bed fusion (LPBF), has revolutionized the fabrication of metallic components with complex geometries, enabling the production of high-end Ti-6Al-4V components with intricate and tailored designs using a layer-by-layer approach. LPBF manufacturing addresses traditional challenges with this alloy, like high tool wear during machining, and enables the creation of complex geometries beyond the reach of conventional techniques. This expands the possibilities for innovative lightweighting approaches, such as architected materials, where the mechanical properties depend on both the material and the unit cell design. Nonetheless, to fully leverage LPBF Ti-6Al-4V architected materials, particularly in thin structures, a thorough understanding of the process-structure-property relationships is crucial. This dissertation aims to systematically investigate the influence of process parameters, size, and build orientation on the mechanical properties of elemental struts, which are the fundamental elements of architected materials. The relationship between design variables and mechanical properties is rationalized by analyzing the microstructure and defects, focusing mainly on porosity and surface roughness. This study reveals that reducing the strut diameter from 1.5 mm to 0.5 mm decreases ductility by 45.8% on average. Moreover, compared to vertical struts, horizontally printed struts exhibit additional reductions in ductility of 57.4%, 59.8%, and 70.9% for diameters of 1.5 mm, 1 mm, and 0.5 mm, respectively, and corresponding ultimate strength decreases of 13.3%, 24.5%, and 61.2%, mainly due to warping and dross-induced roughness. The analysis was then extended to compare the properties of Ti-6Al-4V small-size struts and bulk samples with varying surface roughness. Results indicated higher porosity in smaller specimens, while roughness remained largely size-independent. Microstructural examination revealed alpha-lath refinement with decreasing sample size and increasing energy density. Finally, a combination of computational modeling and computed tomography was adopted to measure the actual load-bearing area of the struts, showing that high-roughness causes up to a 5.05% reduction in the load-bearing area. Based on these findings, a further process optimization to reduce roughness at high scan speeds was carried out. Tuning the laser on delay significantly reduced surface roughness across all strut sizes, with minimal impact on porosity, resulting in up to an 84% increase in build rate. In the second part of the dissertation, the focus was scaled up from elemental struts to architected materials, investigating the effect of cell topology under quasi-static compressive behavior and identifying distinct deformation and failure mechanisms in bending and stretching-dominated lattices. Subsequently, the dissertation focused on improving the mechanical properties of lattice structures by addressing node intersections, which act as stress concentrators and lead to premature failure. A parametric study evaluated the effect of adding fillets by redistributing mass from struts to nodes while maintaining a constant relative density, on the stiffness (E) and yield strength (YS) of Ti-6Al-4V body-centered cubic lattices of high (BCC-H) and low (BCC-L) relative density. In BCC-H lattices, E and YS increased by 103.5% and 45.7%, respectively, while for BCC-L the increases were 50.4% and 26.4%, indicating that mass redistribution has a stronger influence at higher densities. Overall, this work aims to offer a detailed understanding of how the Ti-6Al-4V mechanical properties vary with LPBF process parameters, size, and orientation, and explains the roles of unit-cell topology and mass redistribution in the performance of architected materials. These findings aim to lay a foundation for the optimized design of Ti-6Al-4V cellular metamaterials with improved mechanical efficiency and reliability RESUMEN La fabricación aditiva metálica, y en particular la fusión selectiva por láser en lecho de polvo (LPBF), ha revolucionado la producción de componentes metálicos con geometrías complejas, permitiendo producir capa por capa piezas de Ti-6Al-4V de alta calidad con diseños complejos y personalizados. La fabricación mediante LPBF supera los desafíos tradicionales de esta aleación, como el desgaste excesivo durante el mecanizado, y permite crear geometrías imposibles con métodos convencionales. Esto abre nuevas vías para estrategias como las estructuras en celosía, cuyas propiedades dependen tanto del material como de la topología de la celda. Sin embargo, para aprovechar las estructuras en celosía de Ti-6Al-4V por LPBF, especialmente en estructuras delgadas, es esencial una comprensión integral de la relación entre proceso, estructura y propiedades. Esta disertación investiga sistemáticamente la influencia de los parámetros de proceso, el tamaño y la orientación de fabricación sobre las propiedades mecánicas de las barras elementales, las unidades fundamentales de las estructuras en celosía. La relación entre las variables de diseño y la respuesta mecánica se racionaliza mediante el análisis de la microestructura y los defectos, con especial atención a la porosidad y la rugosidad superficial. Los resultados revelan que reducir el diámetro de las barras de 1,5 mm a 0,5 mm disminuye, en promedio, la ductilidad en un 45,8%. Además, en comparación con las barras verticales, los fabricados horizontalmente presentan reducciones adicionales de ductilidad del 57,4%, 59,8% y 70,9% para diámetros de 1,5 mm, 1 mm y 0,5 mm, respectivamente, junto con disminuciones de la resistencia mecánica del 13,3%, 24,5% y 61,2%, debidas principalmente a defectos de impresión y a la rugosidad superficial. El análisis se amplió comparando las propiedades de barras pequeñas de Ti-6Al-4V con muestras volumétricas mayores de distinta rugosidad superficial. Los resultados indicaron una mayor porosidad en las muestras de menor tamaño, mientras que la rugosidad en el resto se mantuvo prácticamente independiente del tamaño. El examen microestructural reveló un refinamiento de las láminas al disminuir el tamaño de la barra y aumentar la densidad de energía. Finalmente, la combinación de simulación computacional y tomografía computarizada permitió medir el área real de carga de las barras, mostrando que una alta rugosidad puede reducirla hasta en un 5,05%. En la segunda parte, el estudio se amplía desde las barras elementales hasta las estructuras en celosía. Se analiza el efecto de la topología celular bajo compresión cuasiestática, identificando mecanismos distintos de deformación y fallo por flexión o tracción en las estructuras. Después, se investigaron las propiedades mecánicas modificando la geometría nodal , que concentran tensiones y causan fallos prematuras. El estudio paramétrico evaluó el efecto de añadir redondeo nodal, redistribuyendo la masa de las barras hacia los nodos y manteniendo constante la densidad relativa, sobre la rigidez (E) y el límite elástico (YS) de redes cúbicas centradas en el cuerpo (BCC) de Ti-6Al-4V con alta (BCC-H) y baja (BCC-L) densidad relativa. Para las estructuras BCC-H, E y YS aumentaron en 103,5% y 45,7%, respectivamente, mientras que para BCC-L los incrementos fueron del 50,4% y 26,4%, indicando que la redistribución de masa tiene un efecto más pronunciado a densidades mayores. En conjunto, este trabajo proporciona una comprensión detallada de cómo las propiedades del Ti-6Al-4V se ven influenciadas por los parámetros del proceso LPBF, el tamaño y la orientación de barra, y clarifica el papel de la topología celular y la redistribución de masa en las propiedades de las estructuras en celosía. Estos hallazgos establecen las bases para el diseño optimizado de metamateriales celulares de Ti-6Al-4V con mayor eficiencia y fiabilidad mecánica.
Massimiliano Casata (Fri,) studied this question.