In-line temperature measurement during SLM as an aid for process diagnosis and simulation

"The continuous development of virtual prototyping environments and laser technologies applied to Additive Manufacturing processes (AM), made it possible for Selective Laser Melting to be employed in the industry to produce mechanical components with complex geometries without the need of dedicated tools. As an alternative to the onerous and time-consuming experimental characterization for process parameters optimization, SLM Finite Elements simulations can be used to provide useful directions to improve the management of this process. This would allow to reduce defects, and thus improve the product quality while cutting down the design-related costs. Following a thorough analysis of the literature, a key issue emerges: the scarcity of data both for simulation building and its validation. Moreover, those tests were often carried out in barely representative conditions of the industrial state of the art, particularly in terms of selected power and scanning speed. In this thesis work, an embedded thermocouples system for in-line temperature measurement is implemented and tested on an SLM prototype system. The process’ temperature, measured at variable depths of the substrate, was acquired during the multi-layer production of AISI 316L steel components. Experimental results and a selection of major studies on numerical modeling and monitoring available in literature were then compared – in terms of temperature and molten pool geometry– with the performance of a FE home-made model, accounting for different process parameters. The calibration of a volumetric heat source, carried out with metallographic analysis and High-Speed Imaging technique, was found useful for the correct implementation of laser-material interaction. The results of this work lead to conclude that, to improve iteratively the quality and reliability of the simulation in relation to the phenomenological complexity of the process, challenging experimental campaigns are needed, aimed at improving knowledge and mastering of SLM processes."

"Il continuo sviluppo degli ambienti di prototipazione virtuale e delle tecnologie laser applicate ai processi di Additive Manufacturing (AM), hanno portato il Selective Laser Melting ad affermarsi in campo industriale per la produzione di componenti meccanici a geometria complessa, senza il bisogno di strumenti dedicati. Come alternativa alla onerosa caratterizzazione sperimentale per l’ottimizzazione dei parametri di processo, la simulazione SLM ad elementi finiti può fornire elementi utili per ampliare la consapevolezza di gestione di questo processo. Ciò consentirebbe di ridurre i difetti e quindi migliorare la qualità del prodotto, riducendo al tempo stesso i costi legati alla progettazione. Da un’analisi approfondita della letteratura emerge una problematica principale: la scarsità di dati per la simulazione e la validazione di modelli termici Inoltre, questi test sono spesso condotti in condizioni sperimentali poco rappresentative del processo, in particolare in termini di potenza e velocità di scansione del letto di polvere. In questo lavoro di tesi, è stato implementato e testato un sistema di termocoppie per la misura di temperatura in-line su un sistema prototipale SLM. La temperatura di processo, misurata a profondità variabili nel substrato, è stata acquisita in relazione alla produzione di alcuni componenti multi-strato di acciaio AISI 316L. I risultati della campagna sperimentale ed una selezione dei principali studi disponibili in letteratura in materia di modellazione numerica e monitoraggio, sono poi stati confrontati, in termini di previsione di temperatura e geometria della pozza fusa, con le performance di un modello home-made ad elementi finiti per diverse combinazioni dei parametri di processo. La calibrazione di una sorgente volumetrica di calore, tramite analisi metallografiche e video ad alta velocità, si è rivelata utile per la corretta implementazione dell’interazione laser-materiale. I risultati di questa sperimentazione portano a concludere che, al fine di migliorare iterativamente la qualità e l’affidabilità della simulazione, in relazione alla complessità fenomenologica del processo, sono necessarie nuove campagne sperimentali, mirate ad ampliare la conoscenza e la padronanza del processo SLM."