Observing molten pool surface oscillations as a novel approach for penetration depth measurement in Laser Powder Bed Fusion

The great potential of Laser Powder Bed Fusion (LPBF) lies in the possibility of observing the manufacturing process in a layerwise fashion to assess the production route. Due to the critical application areas where such technology finds its greatest applications (i.e. medical, aerospace fields) part failure cannot be tolerated and there is need for quality assurance systems. Amongst various stability indicators, geometrical factors related to the melt pool generated by the laser-material interaction have been identified as key elements in determining process drifts and identifying defect formation. However, due to the intrinsic nature of the technology, only top-view observations of the processed layer may be conducted allowing the measurement of geometrical surface parameters. Hence, the in-line measurement of the molten pool penetration depth stands out as an industrially relevant question to provide a complete set of spatially distributed information regarding the melt geometry. Within the present investigation a novel approach to estimate the penetration depth during Laser Powder Bed Fusion is presented. The sensing principle relies on the observation of molten pool surface ripples through the measurement of proble light reflections in the melt area which are symptomatic of crests and troughs. A phenomenological model representing the molten pool as an equivalent one degree of freedom mechanical system was proposed. High speed imaging with secondary illumination unveiled the melt dynamics during the process and successive image and signal analysis allowed to identify peak oscillation components of the melt surface in the frequency domain. Metallographic cross-sections disclosed the undersurface melt geometry and were used to correlate the oscillation frequencies to the penetration depth. In a range of processing conditions from keyhole to conduction mode processing of AISI316L, capillary waves were measured in the range of 3.5 kHz to 9 kHz. Lower oscillation frequencies corresponded to higher penetration depth. The methodological approach and sensing system were validated on IN718 in off-axis configuration, reporting an analogous trend. The monitoring device was also devised as a sensing tool to verify if waveform modulation of the laser emission power could modify motion in the molten pool. Experimental investigation showed that molten pool surface oscillations corresponded to the waveform frequency and this technique appears to be promising as a process enhancement tool and in reducing top surface roughness of LPBF depositions. Finally, preliminary testing of the sensing device in coaxial configuration was realised demonstrating industrial applicability of the monitoring solution developed.

Il grande potenziale delle tecnologia Laser Powder Bed Fusion (LPBF) consiste nella possibilità di monitorare i successivi strati di deposizione nel corso del processo manifatturiero. La necessità di sistemi per il controllo della qualità è correlata alle criticità nei settori di applicazione di tale tecnologia (tra cui il segmento medicale e aerospaziale) in cui il cedimento strutturale di un componente non è accettabile. Tra i diversi indicatori di stabilità del processo, le caratteristiche geometriche della pozza fusa generata dall’interazione laser-materiale sono state identificate come elementi chiave per l’identificazione di derive dalle condizioni ideali e formazione di difetti. Ciò nonostante, per via dell’intrinsica natura della tecnologia LPBF, è possibile ottenere solo osservazioni della superficie dello strato di deposizione per una misura dei parametri geometrici della superficie. Lo sviluppo di uno strumento per la misura della profondità di penetrazione per consentire l’ottenimento di un dataset di informazioni spazialmente complete della pozza fusa sorge dunque come una fondamentale questione per l’utilizzo industriale del processo manifatturiero. Un nuovo approccio per la stima della profondità di penetrazione per il processo LPBF è stato sviluppato nella presente tesi. Il principio di rilevamento è basato sulla identificazione delle increspature superficiali nella zona del fuso ottenibile tramite l’utilizzo di un sistema di illuminazione secondario che permette di identificare le creste e avvallamenti. Per la modellazione del fenomeno fisico è stato sviluppata una analogia con un sistema meccanico con un grado di libertà. Acquisizioni video ad alta velocità con l’utilizzo di una illuminazione secondaria hanno consentito di studiare la dinamica del processo e utilizzando metodi di analisi di immagini e dei segnali nel dominio delle frequenze sono state identificate le principali componenti di oscillazione. La analisi delle sezioni metallografiche ha permesso di osservare la geometria del fuso e di correlare le frequenze di oscillazione alla profondità di penetrazione. La frequenza di oscillazione delle onde capillari per l’acciaio AISI316L variava tra i 3.5 kHz e i 9 kHz nelle diverse condizioni di processo dalla conduzione alla formazione del keyhole, con frequenze di oscillazione inferiori per profondità di passata maggiore. L’approccio metodologico e il sistema di rilevamento sono stati validati con uno studio sulla lega IN718 mostrando un analogo comportamento. Il sistema di monitoraggio è stato anche utilizzato per verificare se modulazioni con diverse forme d’onda della potenza emessa dalla sorgente laser potessero influenzare il moto della pozza fusa. Ulteriori studi sperimentali hanno dunque permesso di osservare una corrispondenza tra la frequenza di oscillazione delle forme d’onda della potenza e il moto superificiale del metallo fuso. Questa tecnica di modulazione della potenza potrebbe dunque essere utilizzata come un’utile strumento di miglioramento del processo. Infine, il sistema di monitoraggio è stato implementato coassialmente dimostrandone l’applicabilità industriale attraverso degli esperimenti preliminari.