A preliminary study on the prediction of as-built surface quality in complex L-PBF parts using thermal imaging-based in-situ monitoring

Additive Manufacturing (AM) has gained an extreme importance in the recent years in the production of metal components, especially in the medical field and aerospace sectors. However, the mechanical components used in these industries have to comply with very specific quality standards in terms of final surface roughness, which are not yet reachable with the current AM technologies. The major challenge that AM is attempting to address is the in-time control of the production with the aim of keeping monitored the final surface quality of the printed part and reducing the post-processing operations. The current literature recognizes the influence of two important characteristics on the roughness formation mechanism of down-skin surfaces, respectively the angle of inclination and the thermal stresses caused by the high temperatures registered during the printing process. What it is still unexplored is how to directly link the in-situ thermal signature with the ex-post surface roughness. This thesis strives to address this limitation by analyzing the Time Above Threshold (TAT) indication of specific areas on the surface i.e., the amount of time each point shows a temperature higher than certain limits. This new indicator is used as input variable of a proposed regression model with the purpose of estimating the expected value of roughness. The novelty is represented by the combination of both indicators, a design one (the value of inclination) and an in-situ one (TAT) to assess the final surface quality. The impact of this novel indicator is tested on two different materials, AISI 316L and AlSi10Mg to validate the analysis. The last part of the work is dedicated to an experimentation conducted on samples printed again with AlSi10Mg but using different scanning strategies. The idea is to induce different thermal properties and analyze how the thermal indication influences the final quality of the part.

Nel corso degli ultimi anni, la Manifattura Additiva (AM) ha raggiunto una notevole importanza per quanto riguarda la produzione di componenti metallici, in particolar modo nell’ambito medico ed aerospaziale. Tuttavia, le parti meccaniche impiegate in questi settori devono rispettare standard di qualità molto stringenti in termini di rugosità superficiale, non ancora conseguiti dalle tecnologie AM esistenti. La sfida principale con cui la Manifattura Additiva deve confrontarsi è il controllo della produzione in tempo reale, con l’obiettivo di monitorare la qualità superficiale finale dei prodotti stampati, e ridurre così le lavorazioni post-produzione. Le caratteristiche trovate in letteratura che influenzano maggiormente la formazione di rugosità sulle superfici sporgenti riguardano l’angolo di inclinazione e gli stress termici causati dalle alte temperature di lavorazione. La diretta relazione tra la firma termica del processo e la rugosità finale del prodotto, invece, rimane ancora inesplorata. Il presente lavoro di tesi si pone l’obiettivo di colmare questa limitazione analizzando il parametro di Time Above Threshold (TAT) di una specifica area superficiale, ovvero il tempo in cui i punti analizzati mantengono una temperatura più altra della soglia fissata. Questo indicatore è usato come variabile di input del modello di regressione proposto, con l’intento di stimare il valore di rugosità previsto. L’innovazione è espressa dalla combinazione di entrambi gli indicatori, il dato progettuale (il valore di inclinazione) e di produzione (TAT) per valutare così la qualità superficiale finale. La significatività di questo indicatore è verificata su due materiali differenti, AISI 316L and AlSi10Mg. L’ultima parte del lavoro è invece dedicata a una sperimentazione eseguita su dei provini in AlSi10Mg, differenziandosi dai precedenti tramite diverse strategie di scansione. La finalità è di indurre proprietà termiche diverse e analizzare come l’indicatore termico influenza la qualità finale del prodotto.