Development of the laser metal deposition process for the efficient production of large components for the Oil & Gas sector

Production of large gas turbine components requires a delicate balance of innovation and optimization in the domain of advanced manufacturing engineering. Nowadays, these components are mainly realized by forging, for the superior mechanical properties this technology provides. However, the mold reliance and the large material waste typical of the forging process is driving the search for alternative techniques. In the pursuit of sustainability, a new manufacturing technology has emerged: Laser Metal Deposition (LMD). This Additive Manufacturing (AM) technique, offering freedom in design, reduced material waste, and environmental sustainability, holds the promise of reshaping the industry. This dissertation takes a multidimensional approach to investigating the potential of LMD as a manufacturing catalyst for turbomachinery components. The research encompasses three interconnected themes, delving into optimizing the Conventional LMD (C-LMD) process, advancing monitoring capabilities, and comparing motion systems. The first theme delves into optimizing the C-LMD process for Inconel 718, with a focus on productivity and efficiency enhancements. Through experimentation and innovative data recovery methods, the research refines the process to meet industry demands, reaching deposition rates of 1.5 kg/h and efficiency of 70%. The second theme introduces a novel coaxial multi-sensor monitoring system that provides real-time insights on the height, area, and temperature of the molten pool. This approach allows defect prevention and enhanced comprehensive process control. Finally, a critical juncture in the dissertation lies in the comparison between articulated robots and CNC gantry machines for LMD. By analyzing their performance in fabricating large axisymmetric components, the research sheds light on the interplay between flexibility and accuracy. Thanks to this approach, the lead time for large turbomachinery components is expected to be reduced from five months to six weeks, complemented by cost reduction and material savings of up to 30% and 50%, respectively. Ultimately, this dissertation outlines a roadmap for future LMD research, envisioning a path toward continued process refinement, advanced monitoring and control systems, diversified applications, and seamless integration into industrial settings. This research serves as a comprehensive guide to unlock the full potential of LMD, poised to transcend from a promising technology to a transformative force in the manufacturing world.

La produzione di grandi componenti di turbine a gas richiede un delicato equilibrio tra innovazione e ottimizzazione nel campo dell'ingegneria manifatturiera avanzata. Al giorno d'oggi, questi componenti vengono principalmente realizzati mediante la forgiatura, per le eccellenti proprietà meccaniche che questa tecnologia offre. Tuttavia, la dipendenza dallo stampo e lo spreco di materiale tipico del processo di forgiatura stanno spingendo la ricerca di tecniche alternative. Nella ricerca della sostenibilità, è emersa una nuova tecnologia di produzione: la deposizione laser di metallo (LMD). Questa tecnica di fabbricazione additiva (AM), che offre libertà nel design, riduzione dello spreco di materiale e sostenibilità ambientale, promette di ridefinire l'industria. Questa tesi adotta un approccio multidimensionale per esplorare il potenziale dell’LMD come catalizzatore per la produzione di componenti per turbomacchine. La ricerca comprende tre temi interconnessi, dedicandosi all'ottimizzazione del processo LMD convenzionale (C-LMD), al miglioramento delle capacità di monitoraggio e alla comparazione dei sistemi di movimento. Il primo tema si concentra sull'ottimizzazione del processo C-LMD per l'Inconel 718, con un'attenzione per l'aumento di produttività ed efficienza. Attraverso sperimentazioni e innovative tecniche di recupero dei dati, la ricerca affina il processo per soddisfare le esigenze dell'industria, raggiungendo tassi di deposizione di 1,5 kg/h e un'efficienza del 70%. Il secondo tema introduce un innovativo sistema di monitoraggio multi-sensore coassiale che fornisce informazioni in tempo reale sull'altezza, l'area e la temperatura della pozza fusa. Questo approccio consente la prevenzione dei difetti e un miglior controllo globale del processo. Infine, un punto critico nella tesi è la comparazione tra robot articolati e macchine CNC a portale per il processo LMD. Analizzando le loro prestazioni nella fabbricazione di grandi componenti assialsimmetrici, la ricerca getta luce sull'interazione tra flessibilità e precisione. Grazie a questo approccio, è previsto che i tempi di produzione per i grandi componenti delle turbomacchine si riducano da cinque mesi a sei settimane, accompagnati da una riduzione dei costi e un risparmio di materiale fino al 30% e 50%, rispettivamente. In definitiva, questa tesi traccia una roadmap per la futura ricerca sul LMD, immaginando un percorso verso il continuo perfezionamento del processo, sistemi avanzati di monitoraggio e controllo, applicazioni diversificate e integrazione senza soluzione di continuità in contesti industriali. Questa ricerca serve come guida completa per sbloccare il pieno potenziale del LMD, destinato a trasformarsi da una promettente tecnologia in una forza trasformatrice nel mondo della produzione.