Probability of detection of computed tomography applied to metal additive manufacturing

Today Additive Manufacturing processes are no longer regarded just as rapid prototyping tool but they are employed to produce complex and custom-made parts for critical applications, especially in medical and aerospace fields. The consolidation of metal as a base material was fundamental to the spread of these processes. Compared to the traditional manufacturing method, AM parts have numerous benefits. The presence of few geometrical constraints imposed by the Additive process has resulted in the complete re-design of some components, enhancing the structural integrity and reducing the overall weight. On the contrary, Additive Manufacturing is much more complex than traditional manufacturing processes. It is frequent to find defects in produced parts, caused by lack of fusion of the powder or inclusions. For this reason a precise and careful control by means of Non-Destructive Testings is required. The complex shapes, the materials and the surface roughness that characterise AM parts do not allow the employment of the most common NDT. The only solutions available are Radiographic Testing and Computed Tomography. In this thesis, after a short introduction on Metal Additive processes and the limits of applicability of most Non-Destructive Testings, Computed Tomography is used to examine parts made in aluminium by Selective Laser Melting (SLM). Each object is reconstructed with two different voxel sizes and analysed using the Porosity Module of VG Studio Max. This work focuses on the identification of defects and on the characterisation of their differences, intended as dimension and shape, based on the voxel size. Lastly, Probability of Detection curves are provided to define the reliability of Computed Tomography, at different decision thresholds.

Oggi i processi additivi non sono più solamente considerati come uno strumento per la prototipazione rapida ma vengono impiegati per produrre parti complesse e su misura per svariate applicazioni, specialmente nel settore medico e aerospaziale. Fondamentale è stato il consolidamento del metallo come materiale base per questi processi. Paragonati ai sistemi di produzione tradizionali, le parti realizzate con processi additivi presentano numerosi vantaggi. La libertà del design, data dai pochi vincoli imposti da questa tecnologia, ha portato alla riprogettazione di alcuni componenti, migliorandone notevolmente la resistenza e riducendone il peso. Al contrario dei metodi di produzione tradizionali, però, i processi additivi sono molto complessi. È quindi facile imbattersi in difetti nelle parti prodotte, dovute a mancanza di fusione della polvere o inclusioni. Per questo motivo è richiesto un preciso e accurato controllo per mezzo di Controlli Non Distruttivi. Le forme complesse, i materiali e la rugosità superficiale che caratterizzano i processi additivi con metallo non permettono l'impiego delle più note ispezioni. Le uniche soluzioni sono il Controllo Radiografico e la Tomografia Computerizzata. In questa tesi, dopo una breve introduzione sui processi additivi con metallo e sulle limitazioni dei più comuni Controlli Non Distruttivi, la Tomografia Computerizzata è usata per esaminare alcune parti prodotte in alluminio tramite SLM (Selective Laser Melting). Ogni oggetto è ricostruito con due dimensioni di voxel differenti e analizzato tramite il Porosity Module del software VG Studio Max. Il lavoro si concentra nell'individuare i difetti e quantificarne le differenze, in dimensione e forma, in base alla dimensione del voxel utilizzato. In conclusione vengono realizzate le curve POD per definire l'affidabilità della Tomografia Computerizzata, al variare della soglia di decisione.