Development of a coaxial monitoring system for the sensing of melt pool surface oscillations in the SLM process

SLM has undergone a rapid industrialization in the last years thanks to its capability to produce high-value metal parts with complex geometries. Despite the advantages that SLM has when compared to traditional manufacturing, quality and reproducibility are open issues that prevent a more widespread use as a production modality of this technology. Many studies have presented monitoring solutions in order to address these problems. Most of them focused on the acquisition of emitted radiation from the melt pool zone that cannot be easily related to the underlying physics involved in a complex process like SLM. In this thesis work, a coaxial monitoring system is designed for the acquisition of melt pool surface oscillations. As has been demonstrated in other processes, this phenomenon can be related to the depth of the melt pool, which is an important feature considering the layer-wise approach of SLM manufacturing. The monitoring system developed in this thesis consists into an external illumination source directed upon the melt pool zone in combination with a high-speed camera and photodiode that collect the illumination light reflected by the melt pool surface.

Negli ultimi anni SLM ha subito una rapida industrializzazione grazie alla sua capacità di produrre parti metalliche di alto valore con geometrie complesse. Nonostante i vantaggi che SLM presenta rispetto alla produzione tradizionale, la qualità e la riproducibilità sono questioni aperte che impediscono un uso più diffuso come modalità di produzione di questa tecnologia. Molti studi hanno presentato soluzioni di monitoraggio al fine di affrontare questi problemi. La maggior parte di loro si è concentrata sull'acquisizione della radiazione emessa dalla zona della pozza fusa che non può essere facilmente correlata alla fisica sottostante coinvolta in un processo complesso come SLM. In questa tesi, un sistema di monitoraggio coassiale è progettato per l'acquisizione delle oscillazioni della superficie della pozza fusa. Come è stato dimostrato in altri processi, questo fenomeno può essere correlato alla profondità della pozza fusa, che è una caratteristica importante considerando l'approccio di produzione a strati adottata nei processi SLM. Il sistema di monitoraggio sviluppato in questa tesi consiste in una sorgente di illuminazione esterna diretta sulla pozza fusa in combinazione con una telecamera ad alta velocità e un fotodiodo che raccolgono la luce di illuminazione riflessa dalla superficie della pozza fusa