Laser re-melting strategies for in-process surface roughness improvement of laser metal deposited parts

Laser metal deposition (LMD) is an additive process enabling rapid manufacturing of complex parts. Final surface quality of LMD manufactured components, with usual average roughness values (Ra) between 15 and 20μm, is a real issue that prevents the direct application without the implementation of costly and time-consuming post-processes. This thesis work aims to demonstrate the potentiality of laser re-melting as a surface treatment to reduce the roughness of LMD parts. This technique has the key advantage to fulfill the task using the same equipment of the deposition, increasing the flexibility of the re-melted process since it may be applied both at the end or in between the deposition to work non-accessible surfaces. In order to meaningfully characterize both as-deposited and re-melted surfaces Fourier transform of the measured profiles were performed, allowing to point out the presence of principal periodical components of surface roughness and to calculate the transfer function of the re-melting process to describe the effects in a wavelength dependent way. Tailored strategy and process parameters were used to deposit an AISI 316L axisymmetric part with homogeneous surface topography. An experimental campaign was performed to fit both roughness and waviness responses with a second order model function of laser power, overlap and incident laser angle with the use of two different strategies. Results show that while a low laser power is not capable to generate a proper melt pool, too high values impose a visible periodical roughness component with wavelength equal to the scan spacing. In the tested conditions laser re-melting is capable to reduce roughness parameter Sa(0.8mm) up to 79% together with a waviness Wa(0.8mm) improvement of 58%. By means of the transfer function it was possible to relate the lower effectiveness in waviness improvement to the longest wavelength components that cannot be effectively smoothened by the re-melting process.

Laser metal deposition (LMD) è un processo additivo che permette una rapida produzione di pezzi complessi. La qualità superficiale dei componenti prodotti in LMD, ai quali è generalmente associata una rugosità (Ra) tra i 15 e i 20μm, è uno dei principali problemi che ne impedisce l’utilizzo senza prima eseguire trattamenti superficiali costosi che richiedono molto tempo. Questo lavoro di tesi ha lo scopo di dimostrare le potenzialità della rifusione laser come tecnica di trattamento superficiale per ridurre la rugosità. Questa tecnica ha il vantaggio di sfruttare la stessa attrezzatura utilizzata per la deposizione, aumentando la flessibilità del processo che può essere implementato sia alla fine sia durante la deposizione permettendo di lavorare superfici non raggiungibili nel pezzo finale. Per poter caratterizzare in modo esaustivo sia le superfici depositate sia quelle rifuse, è stata utilizzata la trasformata di Fourier del profilo misurato che permette di individuare la presenza di componenti periodiche principali nella rugosità e di calcolare la funzione di trasferimento del processo di rifusione laser per descriverne gli effetti nel dominio delle frequenze spaziali. Una strategia di deposizione e i relativi parametri di processo sono stati fissati per permettere la deposizione di un componente assialsimmetrico in AISI 316L con una topografia superficiale omogenea. In seguito, è stata eseguita una campagna sperimentale per interpolare un modello del secondo ordine utilizzando come risposta sia la rugosità che l’ondulazione in funzione della potenza del laser, dell’overlap e dell’angolo di incidenza del laser con l’utilizzo di due diverse strategie. I risultati mostrano che mentre con livelli troppo bassi di potenza non si generare una corretta pozza fusa, livelli di potenza eccessivi impongono una visibile componente periodica alla rugosità con una lunghezza d’onda equivalente alla distanza fra le linee di scansione. Nei migliori risultati ottenuti il processo di rifusione laser è stato in grado di ridurre il parametro di rugosità Sa(0.8mm) del 79% insieme ad un miglioramento dell’ondulazione Wa(0.8mm) del 58%. Con l’utilizzo della funzione di trasferimento è stato possibile ricollegare la minor efficacia nella riduzione dell’ondulazione alle bassissime frequenze che non vengono adeguatamente ridotte tramite il processo di rifusione.