Improving melt pool stability in selective laser melting by empirical modelling and layerwise control of temporal emission profile

Selective laser melting (SLM) is a metal additive manufacturing process that has received extensive industrial acceptance. Despite its current industrial maturity, SLM still requires monitoring and control means to ensure product quality with variable shapes and dimensions to be manufactured. In most common industrial practice, a series of fixed process parameters are used throughout the whole process. Nevertheless, process thermal conditions strongly depend on the local geometry of the part. This leads to the formation of some of the most common defects in SLM process such as swelling regions and elevated zones, especially in correspondence of corners, thin structures and overhangs, where excessive heat accumulation occurs when constant process parameters are used. Adaptation of process parameters according to the geometry of the processed zone and compensation of the energy input is highly desirable for avoiding defect formation. Monitoring the melt pool demonstrated to be a feasible option to determine whether the processing conditions are stable or not. Melt pool geometry can be inferred to compensate energy input by developing preventive measures as well as control strategies. In this work, melt pool monitoring with a coaxial CMOS camera is used to compensate the laser energy input by changing the duty cycle. Two control strategies were developed and adapted on simple geometries. The first strategy is a statistical model that gives the correct amount of energy input depending on the single vector length, hence the part geometry. The second strategy is a layerwise correction model, which acts on energy content of the vectors of the successive layer. Both control strategies were implemented and validated on SLM machine prototype, and temporally resolved measurements of intensity of the melt pool were extracted. The results demonstrate that implementing a process control solution considerably improves the geometrical accuracy of the SLM printed object.

Selective laser melting (SLM) è una tecnologia di manifattura additiva per metalli che ha conosciuto notevole sviluppo e interesse in campo industriale. Nonostante il livello di maturità oggi raggiunto, il processo SLM necessita tuttora di tecniche di monitoraggio e di controllo efficaci volte ad assicurare la qualità del prodotto al variare della geometria e delle dimensioni del componente da realizzare. Attualmente l’utilizzo di parametri costanti per fabbricare un intero componente è prassi comune nel mondo industriale. Nonostante ciò, le condizioni termiche del processo sono fortemente influenzate dalla geometria locale della parte. Questo comporta la formazione di alcuni difetti tipici della tecnologia SLM, quali rigonfiamenti e protrusioni della parte, in corrispondenza di spigoli, sottosquadri e pareti sottili, dove si riscontra un eccessivo accumulo di calore se i parametri di processo sono mantenuti costanti. L’adeguamento dell’apporto energetico variando i parametri di processo del fascio laser in funzione della geometria della zona da processare è altamente desiderabile per evitare la formazione di difetti. Il monitoraggio del materiale fuso rappresenta una soluzione valida per determinare la stabilità delle condizioni di processo. In particolare, l’informazione sull’estensione della pozza fusa può essere utilizzata per compensare l’apporto energetico del fascio laser mediante l’applicazione di misure preventive e strategie di controllo. In questo lavoro, il monitoraggio della pozza fusa, ottenuto per mezzo di una camera coassiale CMOS, è stato utilizzato per adattare la densità di energia in ingresso mediante regolazione del duty cycle della sorgente laser. Due strategie di controllo sono state sviluppate e applicate a geometrie semplici. La prima strategia consiste nello sviluppo di un modello statistico che permette di definire il corretto apporto di densità di energia in funzione della lunghezza del vettore da scansionare, ossia della geometria del componente da realizzare. La seconda strategia è un modello di correzione strato per strato, il quale regola la densità di energia in ingresso dei vettori di ogni strato successivo. Entrambi i metodi di controllo sono stati implementati e validati su un sistema prototipale SLM dotato di modulo di monitoraggio che ha permesso la misura delle caratteristiche della pozza fusa nel tempo. I risultati dimostrano che l’implementazione di un sistema di controllo del processo migliora notevolmente l’accuratezza geometrica delle parti realizzate.