Investigation of the powder cone in laser metal deposition

Laser Metal Deposition is a promising additive manufacturing process, derived from the laser cladding technique. It has proved to be a competent solution to manufacture complex and custom structures in metallic material. The process key fundamental aspect, resides in the complex interaction between the metal powder flow stream and the laser beam. In this perspective, the analysis of powder behaviour decoupled by laser interaction is a first crucial step. In the present work the characteristics of the powder stream are addressed, by studying its behaviour under different parametric conditions, using a 3-ways nozzle as the powder distributor. Powder flow rate, carrier gas flow rate, and shielding gas flow rate were the three considered factories, which were varied under observation. The analysis was focused on powder cone analysis. This one consisted on using imaging experiments to obtain data related to the geometrical shape of the powder cone and the velocity of the powder particles present inside the mentioned stream. A regression approach was used in order to determine a model able to describe powder behaviour as a function of varied factors. The velocity of the particles, the minimum diameter of the powder cone and its distance from the bottom of the nozzle were investigated. The models showed that, although more than one variable affected the stream, the carrier gas flow rate would dominate the speed of the powder particles, as well as where the smallest section of the cone can be found. Finally, the minimum diameter itself, is mainly determined by the amount of powder flow rate that is introduced into the system.

La tecnologia Laser Metal Deposition è un processo di stampa 3D, derivante dalla Laser Cladding Technique, che sta suscitando crescente interesse nell’industria manifatturiera. Si tratta di una tecnica competitiva per la produzione di strutture metalliche dalla geometria complessa che permette un elevato grado di personalizzazione. L’aspetto più critico del processo consiste nell’interazione tra il flusso di polvere metallica e il raggio laser. Pertanto, questi sono i due principali fattori che influenzano l’efficienza del processo e, in parte, la qualità del prodotto finito. Questo lavoro di tesi è focalizzato sulle caratteristiche del cono di polvere, che viene studiato in funzione di alcuni parametri di processo, considerando un setup comprendente un ugello industriale a tre vie. In particolare, i fattori che sono stati considerati e variati al fine di studiare le caratteristiche del cono di polvere sono: sono la portata del getto di polvere, la portata del gas di trasporto e la portata del gas di protezione. La sperimentazione condotta ha permesso di effettuare analisi in termini di geometria del cono di polvere, da intendersi in termini di diametro minimno e posizione dello stesso rispetto all'estremità inferiore dell'ugello, e velocità delle particelle. I risultati ottenuti dalla campagna sperimentale sono stati analizzati con un modello di regressione in grado di descrivere la variazione delle variabili di risposta in funzione dei parametri variati. I modelli di regressione ottenuti sono infatti in grado di descrivere la velocità delle particelle così come diametro minimo del cono di polvere e distanza dello stesso dall'ugello, in funzione della variazione della portata di polvere, e delle portate di gas di protezione e assistenza. I diversi modelli mostrano che, sebbene il getto sia influenzato da più di una variabile, la portata del gas di transporto ha un effetto predominante sulla velocità delle particelle di polvere e sulla posizione della sezione minima del cono. Infine, lo stesso diametro minimo è fortemente influenzato dalla quantità di polvere immessa nel sistema nell’unità di tempo.