In-situ thermographic measurement during additive manufacturing selective laser melting

Metal additive manufacturing (AM) is a process for fabricating solid metal parts through layer by layer build-up of metal powder, wire, or thin sheets. Metal AM provides numerous benefits over traditional methods of production such as high geometric flexibility, possibility of producing innovative structures (e.g., internal channels, lattice components, etc.), reduced waste of materials, high part customization, decreased lead times, etc. One typology of metal additive manufacturing is selective laser melting (SLM), which is a powder bed fusion process that melts sintered powder using a laser source. Extensive research and industrial development is on-going to further develop the technology and meet industry needs so that widespread adoption of the technology can take place. The lack of process stability and repeatability, however, still represents a major barrier to the adoption of AM in sectors (e.g., aerospace and medical) characterized by stringent quality requirements. In the last years, an increasing number of studies has investigated whether quantities that can be observed by using in-situ sensing, also called “process signatures”, could be used to determine the process stability and quality during the process itself. Among observable signatures, the intensity and the profile of temperature in each layer encloses a relevant information about the accuracy of the SLM process and the occurrence of local defect within the scanned area. One of the most promising methods for in-situ monitoring is thus thermographic imaging, however, there is a challenge in using this technology due to the difference in surface emittance in every printing condition and the high sampling frequencies required, which presents a challenge for many thermal and optical monitoring systems. In this framework, the present thesis investigates a novel in-situ monitoring method for two complementary in-line analysis. On the one hand, a profile monitoring approach, based on temperature cooling profiles extracted from thermographic data, is presented. It is aimed at determining the stability of the process and detecting possible defects. On the other hand, the first attempt to predict in-situ the microstructural properties of the part in SLM is presented. It is based on the thermal gradient and solid-liquid interface. Findings will show that, at the frame rate and resolution presented, printing defects are detected and expected microstructures correspond to what has been observed through EBSD analysis.

Le tecnologie di manifattura additiva per metalli, note anche come stampa 3D, costituiscono un nuovo metodo per la produzione di parti metalliche da diversi tipi di materia prima (ad esempio sottili lamine, filo o polvere), aggiungendo il materiale strato per strato. Queste tecnologie presentano numerosi vantaggi in comparazione con le tecniche tradizionali, quali una grande flessibilità geometrica, la possibilità di produrre strutture innovative e complesse (ad esempio canali interni, componenti “lattice”), riduzione degli sprechi di materiali, personalizzazione dei prodotti, ridotti lead times e molti altri. Una tipologia di questo insieme di tecnologie è quella del Selective Laser Melting (SLM), che è un processo basato sulla fusione di polvere metallica tramite una sorgente laser. Sia le comunità scientifiche che quelle industriali stanno lavorando per migliorare la tecnologia, al fine che questa rispetti i requisiti industriali e possa essere usata su larga scala. La maggior barriera alla diffusione di queste tecnologie è il fatto che esse presentino problematiche riguardo alla stabilità e alla ripetibilità del processo, anche considerando che vengono impiegate principalmente in settori con stringenti requisiti qualitativi (ad esempio biomedico e aeronautico). Negli ultimi anni, un crescente numero di studi ha analizzato quali indicatori osservati tramite monitoraggio in-situ, conosciuti con il nome di “process signatures”, possano essere usati per determinare la stabilità e la qualità durante il processo stesso. Tra queste, l’intensità e i profili di temperatura racchiudono informazioni rilevanti riguardo l’accuratezza del processo e sulla comparsa di difettosità. Dunque, uno dei metodi più promettenti per il monitoraggio in-situ è l’uso di immagine termiche, tecnologie che però presenta delle problematiche riguardanti la differente emissività delle superfici e che necessita di alte frequenze di acquisizione. All’interno di questo contesto, la presente tesi si pone l’obiettivo di analizzare un nuovo approccio di monitoraggio in-situ, che include due analisi contemporanee. La prima riguarda l’applicazione di approcci di ‘profiles monitoring’ ai profili di raffreddamento estratti dai video termografici. La seconda riguarda il primo tentativo, per quanto concerne la tecnologia SLM, di prevedere le morfologie delle microstrutture direttamente in-situ. I risultati ottenuti mostrano che, con la frequenza e la risoluzione adottate, è possibile identificare delle difettosità e che le microstrutture previste corrispondono a quelle osservate tramite analisi EBSD.