Spatio-temporal analysis and monitoring of temperature in extrusion-based AM processes

Extrusion-based Additive Manufacturing technologies are widely adopted in the industrial world for rapid prototyping purposes and among hobbyists for domestic applications. In the last years, they have been facing disruptive technological innovation, due to trends like Bioprinting, Large Area Additive Manufacturing (LAAM) and new materials (composites and metals). However, the diffusion of these technologies in industrial world has been limited by their low stability and repeatability. For this reason, the latest research trends aim at developing suitable in-situ monitoring solutions, oriented towards zero-defect manufacturing. In particular, in-situ thermography is commonly used as mean to study the process and understand its dynamics from a thermal point of view. Despite the growing number of articles on the theme, there is lack of quantitative methods that put together spatial and temporal dimensions to analyse thermal phenomena. Besides, a very limited number of methodologies for automatic flaws detection based on thermography has been proposed. This thesis seeks to fill this gap in scientific literature by proposing a methodology for in-situ monitoring of extrusion-based AM based on spatiotemporal analysis of the thermal behaviour. The methodology is based on the computation of a spatiotemporal indicator to gain knowledge about thermal behaviour of a print. The approach is applied on both a simulation case study and a real case study, consisting of a BAAM print.

Le tecnologie Extrusion-based Additive Manufacturing sono comunemente adottate in ambito industriale per la prototipazione rapida e tra gli hobbisti per applicazioni domestiche. Negli ultimi anni, questi processi hanno affrontato una fase di forte innovazione tecnologica, grazie a trend come Bioprinting, Large Area Additive Manufacturing (LAAM) e l’introduzione di nuovi materiali (compositi e metalli). Nonostante ciò, la loro diffusione in ambito industriale è stata limitata dalla scarsa stabilità e ripetibilità. Per questi motivi, recentemente la ricerca scientifica si è direzionata verso lo sviluppo di soluzioni per il monitoraggio in-situ, orientate alla produzione senza difetti. In particolare, la termografia in-situ è comunemente usata come mezzo per studiare il processo e capire le sue dinamiche dal punto di vista termico. Nonostante il crescente numero di articoli sul tema, vi è una mancanza di metodi che mettano insieme le dimensioni spaziali e temporali per analizzare i fenomeni termici. Inoltre, il numero di metodologie proposte finora per l’identificazione automatica dei difetti basata su termografia è limitato. Lo scopo di questa tesi è quello di colmare questi vuoti nella letteratura scientifica, proponendo una metodologia per il monitoraggio in-situ dei processi extrusion-based AM, basata sull’analisi spaziotemporale del comportamento termico. Tale metodologia si basa sul calcolo di un indicatore spaziotemporale, che consenta di comprendere meglio il comportamento termico di una stampa. L’approccio viene applicato sia su un caso di studio basata su simulazione, che su un caso di studio reale, cioè una stampa via BAAM.