Investigation of emission modes in the SLM of AISI 316L : modelling and process diagnosis

Most of the commercially available Selective Laser Melting (SLM) systems are integrated with high brilliance fiber laser sources. These lasers are most commonly operated in continuous wave (CW) emission, yet a few employ pulsed wave (PW) by fast power modulation. Therefore, a comprehensive investigation over the differences between the two emission regimes stands out as an industrially relevant problem. In this thesis work, the differences in the emission modes were studied through analytical modelling, experimental work and in process diagnosis methods. In order to comprehend the effect of temporal emission modes on the heat transfer mechanisms in SLM, a non-stationary semi-analytical model was developed to represent the processing of single tracks. Subsequently, an experimental campaign comparing AISI 316L single tracks realised with CW and PW emission was conducted for the calibration of the semi-analytical model. The laser source employed in the experimentation was extensively characterised in terms of pulse shape and power emission to formulate an experimental design based on fixed energetic levels. In the experimental campaign the effect of duty cycle was evaluated from CW emission (i.e. δ=1) moving towards PW (i.e. 0<δ<1) at different scan speed levels. The processed single tracks were analysed in terms of track width and volume of the deposited material. Results show that deploying the same energy content to the single tracks, PW emission results in tracks that are up to 5 times smaller in volume. This also depicts up to 3 times difference in terms of the efficiency constant used in the analytical model. Once calibrated, the model was validated, confirming the differences in the process efficiency. High speed camera with external synchronized emission was used for process diagnosis to better explain the modelled behaviour. The images obtained during the single track melting process revealed that, at the same energy input, the melt pool generated with CW emission are effectively larger and longer.

La maggioranza dei sistemi industriali di Selective Laser Melting (SLM) utilizza sorgenti laser ad alta brillanza in fibra attiva. In preponderanza, le macchine sono adoperate con emissione continua mentre alcune utilizzano emissione impulsata attraverso modulazione della potenza del fascio laser. La necessità di uno studio approfondito sugli effetti delle diverse modalità di emissione sorge come spontanea domanda industriale. In questa tesi, le differenze tra emissione continua e impulsata sono state analizzate attraverso una campagna sperimentale, modellazione analitica e diagnosi in-situ del processo. Allo scopo di analizzare l’effetto delle diverse modalità di emissione temporale sui meccanismi di trasferimento del calore nel processo SLM, un modello semi-analitico e non stazionario è stato sviluppato per rappresentare la realizzazione di singole tracce. In seguito, è stata condotta una campagna sperimentale per calibrare il modello attraverso il confronto di singole tracce realizzate con emissione continua e impulsata in acciaio AISI 316L. La sorgente laser utilizzata nelle sperimentazioni è stata caratterizzata in termini di forma temporale dell’impulso e potenza emessa, in modo da permettere la pianificazione di una campagna sperimentale a diversi livelli energetici. Nel confronto dei dati sperimentali, l’effetto del duty cycle è stato valutato a partire dall’emissione continua (δ=1) all’emissione impulsata (0<δ<1) con differenti livelli di velocità scansione. A parità di contenuto energetico, l’emissione impulsata produce singole tracce con valori di volume depositato fino a 5 volte inferiori rispetto all’emissione continua. Inoltre, i valori del coefficiente di efficienza del modello analitico confermano questo andamento risultando fino 3 volte inferiori con l’emissione impulsata. In seguito alla calibrazione, il modello analitico è stato validato, confermando le differenze nell’efficienza di processo. Infine, utilizzando una telecamera ad alta velocità con illuminatore sincronizzato, è stata eseguita una diagnosi di processo esplicando il significato fisico della variazione del coefficiente di efficienza. Attraverso l’analisi delle immagini acquisite ad alta velocità in-situ, ad un costante livello di deposizione energetica, è stato confermato che la larghezza e lunghezza della pozza fusa generata dall’emissione continua erano maggiori, indicando dunque una maggiore efficienza nella trasmissione del calore.