In-situ monitoring of LPBF process : a multi-perspective on gas effects

Recent improvements in Additive Manufacturing (AM) are turning the employment of these technologies from prototyping to the production of extremely customized parts. In particular, Laser Powder Bed Fusion (LPBF) represents the core methodology of this field, thanks to its flexibility in terms of material that can be processed and the capability to produce final components with decent mechanical properties. Therefore, the development of a real-time monitoring system is a crucial step for providing to LPBF, and also other AM processes, the robustness to be competitive in industrial applications. In-situ monitoring of LPBF processes is the principal approach for certifying the quality and stability of the process during the layer-by-layer production of the part, by exploiting the considerable amount of data that can be collected. Up to current knowledge, this thesis represents a first attempt to investigate multiple effects of the gas flow on a laser-matter interaction and by-products like spatters and plume, by employing different gas types and two monitoring sensors (an external camera and a co-axial pyrometer). The experiment has been performed by testing three power levels, i.e., 200, 170, and 140W on an AISI 316 powder, and considering traditional inert gases like Argon and Nitrogen, a less employed gas like Helium, and an unusual gas like CO2, never employed in this kind of process. The results of the ANOVA analysis performed on video signatures have been correlated to the information provided by the Optical Micrograph (OM) and the Computed Tomography (CT), which allowed to correlate the dynamics observed in-situ with the final quality of the specimens. Thus, an in-depth discussion highlights the link between some plume-spatters pattern with the porosity of the samples and that the possible employment of other gases, like Helium, besides the traditional Argon, could improve the final surface quality.

I recenti miglioramenti nella produzione additiva stanno trasformando l'impiego di queste tecnologie dalla semplice prototipazione alla produzione di parti estremamente personalizzate. In particolare, la tecnologia nota come Laser Powder Bed Fusion (LPBF) rappresenta la metodologia principale in questo campo, grazie alla sua flessibilità in termini di materiale che possono essere lavorati e alla capacità di produrre componenti con proprietà meccaniche paragonabili a quelle dei metodi tradizionali. Pertanto, lo sviluppo di un sistema di monitoraggio in tempo reale è un passaggio cruciale per fornire alla tecnologia LPBF, e anche ad altri processi additivi, la solidità per essere competitivi nelle applicazioni industriali. Il monitoraggio in-situ dei processi LPBF è l'approccio principale per certificare la qualità e la stabilità del processo durante la produzione a strati del pezzo, sfruttando la notevole quantità di dati che può essere raccolta. Basandosi sulla conoscenza prodotta fino ad oggi, questa tesi rappresenta un primo tentativo di studiare molteplici effetti dei gas sull’interazione del laser e sui comportamenti di scintille e “plume”, impiegando diversi tipi di gas e due sensori di monitoraggio (una telecamera esterna e un pirometro). L'esperimento è stato condotto testando tre livelli di potenza, 200, 170 e 140 W su una polvere di AISI 316 e considerando alcuni gas inerti come Argon, Azoto ed Elio e un gas insolito come l’anidride carbonica (CO2), mai impiegato in questo tipo di processo. I risultati dell'analisi ANOVA, eseguita sui video, sono stati correlati alle informazioni fornite dalla microfotografia ottica (MO) e dalla tomografia computerizzata (TC) nell'analisi ex-situ. Una discussione approfondita evidenzia il legame tra alcuni comportamenti del plume con la porosità dei pezzi e che l'eventuale impiego di gas diversi, come l’Elio, oltre al tradizionale Argon, potrebbero migliorare la qualità superficiale finale.