Characterization and in-situ detectability of defects of Ti6Al4V parts produced via electron beam melting

Electron Beam Melting (EBM) is a powder bed fusion additive manufacturing (AM) process which is capable of producing parts with innovative geometries and advanced performances and is mainly used for manufacturing components in aerospace and medical industries. However, different kinds of defects cannot be completely avoided, and they affect the mechanical performance of final parts. After a review of defectiveness categories in EBM, this work focused on analyzing the effect of lack-of-fusion LOF defects (i.e., large and irregular pores due to non-complete melting of the material) on mechanical performances and on their possible identification via in-situ sensing and monitoring techniques during the process itself. A first experimental study highlighted the impact of LOF defects on the mechanical performances of Ti6Al4V parts. A map of possible root causes of LOF defects was then developed based on experimental evidence and literature analysis. Among them, the presence of irregularities within the of powder bed was chosen for further investigation. A second experimentation was designed in order to investigate the relationship between issues affecting the powder deposition/recoating and the onset of LOF defects in the part. The results show that in-situ sensing via machine vision techniques can be suitable to identify, in-line and in-situ, anomalies in the powder bed recoating that are among the possible causes on LOF defects.

Electron Beam Melting (EBM) è un processo di produzione di additivi per fusione a letto di polvere (AM) in grado di produrre componenti con geometrie innovative e prestazioni avanzate e viene utilizzato principalmente per la produzione di componenti nell'industria aerospaziale e medica. Tuttavia, diversi tipi di difetti non possono essere completamente evitati e influiscono sulle prestazioni meccaniche delle parti finali. Dopo una revisione delle categorie di difettosità nell'EBM, questo lavoro si è concentrato sull'analisi dell'effetto dei difetti LOF di mancanza di fusione (pori grandi e irregolari dovuti alla fusione non completa del materiale) sulle prestazioni meccaniche e sulla loro possibile identificazione tramite tecniche di rilevamento e monitoraggio in situ durante il processo stesso. Un primo studio sperimentale ha evidenziato l'impatto dei difetti LOF sulle prestazioni meccaniche delle parti Ti6Al4V. È stata quindi sviluppata una mappa delle possibili cause alla radice dei difetti LOF sulla base di prove sperimentali e analisi della letteratura. Tra questi, la presenza di irregolarità all'interno del letto di polvere è stata scelta per ulteriori indagini. È stata progettata una seconda sperimentazione per studiare la relazione tra i problemi che riguardano la deposizione / ricopertura della polvere e l'insorgenza di difetti LOF nella parte. I risultati mostrano che il rilevamento in situ mediante tecniche di visione artificiale può essere adatto per identificare, in linea e in situ, anomalie nel rivestimento del letto di polvere che sono tra le possibili cause dei difetti LOF.