Optical monitoring of stand-off distance in LMD

In the following thesis, a system for the monitoring of the stand-off distance (SOD) has been developed on the direct energy deposition (DED) process, that is a system able to measure the distance between the nozzle of the laser head and the underlying deposition. The SOD defines a distance that should be maintained constant in the process to maintain constant even the process parameter and work in a regime condition. In literature, there are several monitoring systems of the deposition height, that with simple mathematical calculation can lead to the SOD value, or even of the very own SOD, but no one is designed to be independent from the outline that the deposition is creating. For example, some of them works only for straight tracks, but lose meaning when there is a change in direction, making them ad hoc system. The monitoring system of this thesis work, indeed, consists in the design of an optical chain coaxial with the process laser, with the aim of focalizing a green illuminator with a wavelength of 532 nm on the melt pool created by the process itself. Defining a standard position for both the SOD and the spot of the illuminator, using a coaxial CCD camera is possible to calculate the displacement of the illuminator spot from the reference position and connect it to the SOD using an equation obtained by a previous calibration of the system. The study is led by using stainless steel powder AISI 316L and by employing two types of track: straight and circular. The data obtained by the monitoring system are then processed by the software Matlab for the definition of the SOD and of the correction that an ideal control system need to bring the SOD to a constant value.

Nella seguente tesi è stato sviluppato un sistema di monitoraggio della stand-off distance (SOD) del processo di deposizione diretta laser, cioè un sistema in grado di misurare la distanza tra l’ugello della testa laser e la deposizione sottostante. La SOD definisce quindi una distanza che si dovrebbe mantenere costante nel processo al fine di mantenere costanti anche i parametri del processo e così poter lavorare in una condizione di regime. In letteratura ci sono diversi metodi di monitoraggio dell’altezza dello strato depositato, che poi attraverso semplici calcoli matematici è collegabile alla SOD, o della SOD stessa, ma nessuno è stato progettato per lavorare in modo indipendente dal tipo di profilo che la deposizione sta creando. Per esempio alcuni funzionano solo quando la traccia è rettilinea, ma perdono significato quando la traccia cambia direzioni rendendoli così sistemi di monitoraggio ad hoc. Il sistema di monitoraggio di questo lavoro di tesi invece consiste nella progettazione di una catena ottica coassiale al laser di processo che ha lo scopo di mantenere un puntatore laser di 532 nm di lunghezza d’onda sulla pozza fusa creata dal processo. Definendo una posizione standard sia per la SOD che per lo spot del puntatore, attraverso una CCD camera, anche essa coassiale è possibile calcolare lo spostamento dello spot dalla posizione standard e legarlo attraverso un’equazione ottenuta precedentemente da una calibrazione alla SOD che effettiva del processo. Lo studio è stato condotto su polvere di acciaio inossidabile AISI 316L utilizzando due tipi di traccia: rettilinea e circolare. I dati ottenuti dalla telecamera sono poi stati elaborati attraverso il software Matlab per andare a definire la posizione della SOD nel tempo e la correzione ideale che un sistema di controllo ideale darebbe alla testa laser per mantenere una SOD costante.