Development of a coaxial sensing and adaptive control system for stable DED-LB processing of high-strength structural steel

The Laser-based Directed Energy Deposition (DED-LB) technology is among the most significant within the field of additive manufacturing, offering several advantages over alternative techniques. Notably, it provides high flexibility through the use of robotic systems, enabling the fabrication of complex geometries without the need for molds. Furthermore, its ability to deposit large volumes of material makes it a promising candidate for the construction industry, where large-scale components with complex shapes are often required for both architectural and structural purposes. However, the literature lacks studies addressing the additive manufacturing of steels commonly used in this sector by means of DED-LB. One of the current limitations lies in the high sensitivity of commonly used structural steels, particularly High-Strength Low-Alloy (HSLA) steels, to process parameters. The aim of this thesis is to implement a process monitoring system and a closed-loop control strategy based on key process indicators, specifically the melt pool geometry and temperature. Following preliminary tests, optimal parameters were identified to ensure process stability during prolonged deposition using S700 steel powder. The chosen process variable for stabilization was the melt pool width, controlled via an adaptive closed-loop system that maintains a constant melt pool temperature by adjusting laser power within a specified range. Monitoring was achieved using a coaxial setup comprising a NIR camera with a CMOS sensor and a dual-wavelength pyrometer. Dedicated algorithms were developed to perform complete image pre-processing and to accurately extract the geometric features of the melt pool. Based on the optimized parameters, hollow cylinders with a height of 100 mm were fabricated, the deposition, in certain cases, lasted several hours. Post-process evaluation included porosity analysis and 3D scanning to validate the quality of the builds. Results confirmed a successful outcome, with substantial improvements over the initial fixed-power configuration, which, although efficient, did not support the production of small-diameter components and led to excessive heat accumulation in larger ones.

La tecnologia Laser-based Directed Energy Deposition (DED-LB) rappresenta una delle soluzioni più rilevanti nell’ambito della manifattura additiva, grazie a diversi vantaggi rispetto ad altre tecnologie. Tra questi, si evidenziano l’elevata flessibilità, derivante dall’impiego di robot, che consente la realizzazione di geometrie complesse senza l’utilizzo di stampi, e la capacità di depositare grandi volumi di materiale. Tali caratteristiche rendono questa tecnologia particolarmente interessante per il settore delle costruzioni, dove è frequente l’impiego di componenti di grandi dimensioni con geometrie articolate per esigenze architettoniche e strutturali. Tuttavia, la letteratura non riporta studi relativi alla stampa degli acciai comunemente utilizzati in questo settore mediante tecnologia DED-LB. Una delle limitazioni attuali risiede nell’elevata sensibilità degli acciai maggiormente impiegati, in particolare degli acciai HSLA (High-Strength Low-Alloy), ai parametri di processo. L’obiettivo di questo lavoro di tesi è l’implementazione di un sistema di monitoraggio e di un successivo controllo closed-loop, basato sulle grandezze più significative del processo: la geometria e la temperatura della pozza fusa. A seguito di prove preliminari, sono stati identificati i parametri più idonei per mantenere stabili queste variabili durante l’intero processo di deposizione, utilizzando polvere metallica di acciaio S700. La variabile selezionata per essere monitorata e stabilizzata è la larghezza della pozza fusa, attraverso un controllo adattivo closed-loop che regola la temperatura modificando la potenza del laser entro un intervallo predefinito. Il sistema di monitoraggio è stato realizzato tramite una telecamera NIR con sensore CMOS e un pirometro a doppia lunghezza d’onda, entrambi in configurazione coassiale. Sono stati sviluppati algoritmi per l’intero ciclo di pre-processing delle immagini, al fine di estrarre in modo affidabile le caratteristiche geometriche della pozza fusa. Sulla base dei risultati ottenuti, sono stati realizzati cilindri cavi con altezza pari a 100 mm, la cui deposizione, in alcuni casi, è durata anche diverse ore. Al termine, sono state condotte analisi di porosità e scansioni 3D per verificare la qualità del processo. I risultati confermano il buon esito della deposizione, con miglioramenti significativi rispetto alle condizioni iniziali, in cui la potenza del laser era mantenuta fissa per massimizzare l’efficienza. Tali condizioni, tuttavia, non permettevano la realizzazione di componenti con piccolo diametro e causavano accumuli termici eccessivi in quelli di dimensioni maggiori.