Penelope : the first SLM prototype with inline defect removal

Additive Manufacturing represents a paradigm shift for the industrial production of high value-added metal parts characterized by innovative geometries and advanced properties that are difficult or impossible to achieve with conventional technologies. Moreover, it allows one to reduce times, costs and consumption of resources compared to traditional processes. However, the additive production of metal parts, especially in the presence of complex geometries and new materials, still envisages some technological limits that must be overcome. One of the main challenges for research and development in this sector is the need to improve the stability, repeatability and capacity of printing systems. In fact, there are several possible sources of error and various types of defects - internal porosity, residual stress, geometric deformations, microstructural discontinuities, etc. - which may arise during the process, with a negative effect not only on the final quality and performance of the products, but also on production times and costs. Despite the continuous technological developments, many of which focused on the integration of sensors in the machine and the development of monitoring tools able to identify the presence of a defect while the part is being produced, no commercially available system is today capable of removing the defect once detected. At best, it is only possible to interrupt the process, discard the part and restart with a new print. In fact, some defects detectable through in-situ sensors, such as for example geometric distortions or the most critical types of internal porosity, cannot be corrected in subsequent stages of production. In this context, this thesis work aims to study the feasibility of the first additive printing system for metal parts able to delete defects online, developed and patented by the Mechanical Department of Politecnico Di Milano. This is a prototype called Penelope that combines Laser Powder Bed Fusion with a material removal system. The latter consists in a grinder and it is used to remove one or more defective layers when they are detected by the integrated sensing and monitoring system. After removal system intervention, the printing is resumed, ensuring a first-time-right production. The preliminary study and tests here presented have shown that the removal of the defective layers does not introduce additional discontinuities or defectiveness in the part. The results achieved in this thesis represent a first step to assess the feasibility of this innovative in-line defective layer removal concept. This system is expected to enable a completely new solution in industry for the reduction of the defect rate typical of additive processes, together with the reduction of wastes and costs of the entire production chain.

I processi Additive Manufacturing rappresentano un cambio di paradigma per la produzione industriale di parti metalliche, poiché permettono di realizzare facilmente geometrie innovative che sono difficili o impossibili da ottenere con le tecnologie convenzionali, con tempi, costi e consumo di risorse non paragonabili ai processi tradizionali. Tuttavia, la stampa 3D mostra ancora alcuni limiti tecnologici da superare. Una delle sfide principali per la ricerca e lo sviluppo in questo settore è rappresentata dalla necessità di migliorare la stabilità, ripetibilità e capacità dei sistemi di stampa. Esistono infatti diverse possibili sorgenti di errore e vari tipi di difetti –porosità interna, stress residui, deformazioni geometriche, discontinuità microstrutturali, etc.- che possono insorgere durante il processo, con effetto negativo non solo sulla qualità finale e le prestazioni dei prodotti, ma anche sui tempi e i costi di produzione. Nonostante i continui sviluppi tecnologici, molti dei quali focalizzati sull’integrazione di sensori in macchina e lo sviluppo di strumenti di monitoraggio in grado di identificare la presenza di un difetto mentre la parte viene prodotta, nessun sistema disponibile in commercio è oggi in grado di rimuovere il difetto una volta rilevato. Nella migliore delle ipotesi è possibile solo interrompere il processo, scartare la parte e ripartire con una nuova stampa. Infatti, alcuni difetti rilevabili attraverso sensori in-situ, come per esempio distorsioni geometriche o le tipologie più critiche di porosità interna, non possono essere corretti in fasi successive della produzione. In questo contesto, questa tesi si propone di studiare la fattibilità del primo sistema additive per parti metalliche in grado di eliminare i difetti in situ, sviluppato e brevettato dal Dipartimento Meccanico del Politecnico Di Milano. Questo prototipo, chiamato Penelope, combina Laser Powder Bed Fusion con un sistema di rimozione del materiale. Quest'ultimo viene utilizzato per rimuovere uno o più strati difettosi quando vengono rilevati dal sistema integrato di rilevamento e monitoraggio. Dopo l'intervento del sistema di rimozione, la stampa riprende, assicurando una produzione first-time-right. Lo studio preliminare e i test qui presentati hanno dimostrato che la rimozione del layer difettoso permette di portare a termine la produzione di una parte conforme nonostante i difetti e gli errori avvenuti durante la stampa. Inoltre, la rimozione dei layer difettosi non altera le caratteristiche volumetriche e microstrutturali della parte e non modifica le sue proprietà meccaniche rispetto ad una parte stampata senza intervento di rimozione in linea.