Coaxial monitoring of molten pool in SLM : investigation of observation bands and emission modes

Despite the rapid industrialization of SLM process and its huge potentialities, quality and reproducibility of produced parts are still an open issue and no effective process control solutions have been adopted. While numerous process measurement modalities have been demonstrated, the interpretation of the acquired signals still remains a challenging task. This may be attributed to the indirect signals acquisitions, such as heat or process radiation, which can be difficultly correlated to the actual physical phenomenon occurring in such a complex process. This thesis work is aimed at a direct observation of the process in order to have a more reliable and robust process evaluation. A coaxial monitor module for molten pool observation is designed. The complementary use of external illumination for melt pool direct visualization and process emission allows for interpreting the acquired signals and defining the most suitable wavelength band for the measurement of melt pool geometry. Melt pool size reveals to be a key indicator for the on-going process, since the local geometry surrounding the melt pool proves to have a large influence on the thermal processing conditions and process stability. The potentialities of the melt pool monitoring system are tested in an experimental campaign devoted to the investigation on the effect of laser temporal modulation at constant fluence when realizing large and thin test geometries. The results show that mixed emission mode strategy succeeds in keeping melt pool area constant independently of part geometry. In particular, thin wall structures are prone to the formation of a wide molten region, and moving from CW to PW emission mode when passing from bulk to thin wall geometry provides the means for avoiding heat build-up and part protrusions from the powder bed.

Nonostante la rapida industrializzazione del processo SLM e le enormi potenzialità ad esso associate, la qualità e la riproducibilità dei componenti realizzati risultano tutt’oggi una questione aperta e non è stato ancora raggiunto nessun controllo efficace del processo. Sebbene numerose tecniche di analisi del processo siano state utilizzate in ambito scientifico, l’interpretazione dei segnali acquisiti rappresenta una sfida da superare. Ciò può essere attribuito alla natura indiretta dei segnali acquisiti, che difficilmente può essere correlata a un determinato fenomeno fisico in un processo così complesso. Questa tesi è finalizzata a una visualizzazione e un’analisi diretta della tecnologia SLM, in modo da garantire un controllo più affidabile e robusto del processo. Un modulo di monitoraggio coassiale è stato progettato per osservare il materiale fuso. L’utilizzo complementare di una sorgente di illuminazione esterna per una visualizzazione diretta della pozza fusa e l’acquisizione dell’emissione del processo hanno permesso l’interpretazione fisica dei segnali acquisiti e la scelta della banda di lunghezze d’onda più opportuna per misurare l’estensione del materiale fuso. La dimensione della pozza fusa si è rivelata un indicatore importante per valutare le condizioni del processo, in quanto la geometria locale del componente influenza fortemente lo stato termico del processo e, di conseguenza, l’estensione del fuso. Le potenzialità del sistema di monitoraggio sono state testate in una campagna sperimentale volta a valutare l’effetto delle diverse modalità di emissione temporale nella realizzazione di strutture larghe e sottili a parità di contenuto energetico. I risultati dimostrano come una strategia di emissione mista possa garantire una dimensione del materiale fuso pressoché costante, indipendentemente dalla geometria della parte. In particolare, la realizzazione di strutture sottili è soggetta alla formazione di un’area fusa di notevoli dimensioni, e il passaggio da una strategia di emissione continua a un’emissione impulsata in corrispondenza di pareti sottili permette di evitare l’eccessivo accumulo di calore e sporgenze della parte dal letto di polvere.