Development and Validation of a Polarized Light Monitoring System for Surface Quality Inspection in Metal PBF Additive Manufacturing

Laser powder bed fusion in additive manufacturing enables the creation of complex geometries, shifting from prototyping to high-volume production. This transition necessitates robust in-situ monitoring systems in order to ensure quality, reliability and repeatability by detecting eventual process anomalies. The used optical monitoring systems are effective but face challenges due to complex illumination in the process chamber that makes difficult to retrieve information. The purpose of this study is the construction and validation of an ex-situ polarized-imaging based monitoring system designed to enhance the detection of defects and the measurement of surface roughness in metal PBF additive manufacturing processes. The proposed polarized imaging approach exploits the change in the polarization state of reflected light induced by surface roughness or imperfections to retrieve information such as topography maps and surface roughness values. The polarization state of light can be described by two fundamental parameters: the Angle of Polarization (AoP) and the Degree of Linear Polarization (DoLP). The AoP was used, through a numerical integration process, to generate the surface maps used for subsequent roughness analyses, while the DoLP serves as an indicator of result fidelity. The obtained 3D surface maps were then compared with some ground truth scans to provide validation of the results before proceeding with the surface quality analysis. The experimental outcomes showcased the impact of the polarization imaging system and confirmed the feasibility of surface map reconstruction. The analysis revealed that DoLP is a valuable synthetic feature, potentially useful for the automated assessment of solidified metallic layer quality.

La fusione laser a letto di polvere nella produzione additiva consente la creazione di geometrie complesse, passando dalla prototipazione alla produzione in grandi volumi. Questa transizione richiede sistemi di monitoraggio affidabili in grado di garantire qualità, affidabilità e ripetibilità rilevando eventuali anomalie di processo. I sistemi di monitoraggio ottico sono efficaci ma devono affrontare sfide dovute alla complessità dell'illuminazione nella camera di processo che rende difficile l'acquisizione di informazioni e l'individuazione dei difetti. Lo scopo di questo studio è la costruzione e la validazione di un sistema di monitoraggio ex-situ basato su immagini polarizzate progettato per migliorare il rilevamento dei difetti e la misurazione della rugosità superficiale nei processi di produzione additiva di fusione a letto di polvere metallica. L'approccio ad immagini polarizzate proposto sfrutta il cambiamento nello stato di polarizzazione della luce riflessa indotto dalla rugosità o dalle imperfezioni superficiali per ottenere informazioni come mappe di superficie e valori di rugosità superificiale. Lo stato di polarizzazione della luce può essere descritto da due parametri fondamentali: l'Angolo di Polarizzazione (AoP) e il Grado di Polarizzazione Lineare (DoLP). L'AoP è stato utilizzato, tramite un processo di integrazione numerica, per generare le mappe di superficie utilizzate per le successive analisi di rugosità, mentre il DoLP è un indice sintetico di fedeltà del risultato. Le mappe di superficie 3D ottenute sono state in fine confrontate con alcune scansioni di riferimento per fornire la validazione dei risultati prima di procedere con l'analisi della qualità superficiale. I risultati sperimentali hanno mostrato l'impatto del sistema ad immagini polarizzate e hanno confermato la fattibilità della ricostruzione delle mappe di superficie. L'analisi ha rivelato che il DoLP è un valido indice sintetico, potenzialmente utile per la valutazione automatizzata della qualità dello strato metallico solidificato.