Monitoring Directed Energy Deposition Processes in Additive Manufacturing

The purpose of this study is to find out how laser based Directed Energy Deposition processes can benefit from different types of monitoring. DED is a type of additive manufacturing process, where parts are manufactured in layers by using metallic powder or metallic wire. DED processes can be used to manufacture parts that are not possible to manufacture with conventional manufacturing processes, when adding new geometries to existing parts or when wanting to minimize the scrap material that would result from machining the part. The aim of this study is to find out why laser based DED-processes are monitored, how they are monitored and what devices are used for monitoring. This study has been done in the form of a literature review. During the manufacturing process, the DED-process is highly sensitive to different disturbances such as fluctuations in laser absorption, powder feed rate, temperature, humidity or the reflectivity of the melt pool. These fluctuations can cause fluctuations in the size of the melt pool or its temperature. The variations in the size of the melt pool have an effect on the thickness of individual layers, which have a direct impact on the final surface quality and dimensional accuracy of the parts. By collecting data from these fluctuations and adjusting the laser power in real-time, the size of the melt pool and its temperature can be kept within a specified range that leads to significant improvements in the manufacturing quality. The main areas of monitoring can be divided into the monitoring of the powder feed rate, the temperature of the melt pool, the height of the melt pool and the geometry of the melt pool. Monitoring the powder feed rate is important when depositing different material compositions. Monitoring the temperature of the melt pool can give information about the microstructure and mechanical properties of the part. Monitoring the height and the geometry of the melt pool is an important factor in achieving the desired dimensional accuracy of the part. By combining multiple different monitoring devices, the amount of fluctuations that can be controlled will be increased. In addition, by combining additive manufacturing with machining, the benefits of both processes could be utilized.

Työn tarkoituksena on tutkia, miten laserin käyttöön perustuvissa Directed Energy Deposition (DED) eli materiaalin ja lämmön kohdistus –prosesseissa voidaan hyödyntää monitorointia. DED on yksi ainetta lisäävistä valmistusmenetelmistä, jossa kappaleita valmistetaan kerroksittain käyttäen metallijauhetta tai -lankaa. DED-prosesseja voidaan soveltaa silloin, kun ei ole mahdollista valmistaa tuotetta perinteisillä valmistusmenetelmillä, kun halutaan lisätä uusia muotoja jo valmiisiin kappaleisiin tai kun halutaan vähentää hukkamateriaalin määrää, jota syntyisi, kun valmistettaisiin kappale koneistamalla. Työssä selvitetään miksi laserin käyttöön perustuvia DED-prosesseja monitoroidaan, miten niitä monitoroidaan ja mitä laitteita monitorointiin käytetään. Työ tehtiin kirjallisuustutkimuksena. Valmistuksen aikana DED-prosessi on herkkä erilaisille muutoksille, kuten lasersäteen absorption muutoksille, jauheensyötön vaihteluille, lämpötilan vaihteluille, kosteudelle tai säteen heijastumiselle sulasta. Näistä vaihteluista voi aiheutua sulan koon vaihtelua tai sulan lämpötilan vaihtelua. Sulan koon vaihtelu vaikuttaa yksittäisen kerroksen korkeuteen, jolla on suora vaikutus valmistettavan kappaleen lopulliseen pinnanlaatuun ja mittatarkkuuteen. Keräämällä tietoa parametrien vaihteluista ja reaaliaikaisesti säätämällä esimerkiksi lasertehoa, voidaan sulan koko ja sulan lämpötila pitää haluttujen rajojen sisällä, jolloin valmistuksen laatua voidaan parantaa merkittävästi. Monitoroitavat alueet voidaan pääosin jakaa jauhesyötön, sulan lämpötilan, sulan korkeuden ja sulan geometrian monitorointiin. Jauhesyötön monitorointi on tärkeää, kun valmistetaan kappale eri seoksista. Sulan lämpötilan monitoroinnilla saadaan tietoa mikrorakenteesta ja mekaanisista ominaisuuksista. Sulan korkeuden ja geometrioiden monitorointi on tärkeää kappaleen lopullisen mittatarkkuuden saavuttamisen kannalta. Yhdistämällä useita eri monitorointilaitteita voidaan vaikuttaa mahdollisimman moneen valmistuksen aikana tapahtuvaan muutokseen samanaikaisesti. Lisäksi yhdistämällä ainetta lisäävän valmistuksen ja koneistamisen, voitaisiin hyödyntää molempien valmistusmenetelmien hyviä puolia.