In-situ process monitoring and control of PBF-LB/M: a novel solution

Laser-based powder bed fusion of metals (PBF-LB/M) is a strategic manufacturing technology for producing complex, high-performance components in the energy sector. However, its industrial adoption for safety- and mission-critical applications remains limited by long qualification cycles, high inspection costs, and process instability, particularly under productivity-driven manufacturing conditions. This PhD work, carried out in collaboration between Baker Hughes and the Department of Mechanical Engineering at Politecnico di Milano, addresses these industrial challenges through an integrated framework combining in-situ process monitoring, non-destructive evaluation (NDE), and multi-scale thermal process modeling. The research is based on an industrial use case and focuses on thermally driven defect mechanisms in a gas turbine component manufactured from nickel-based materials, including a Baker Hughes-patented hard-to-melt alloy. Industrial multi-sensor in-situ monitoring systems are correlated with porosity-related defects quantified ex-situ via X-ray computed tomography (CT) and microstructural analysis. The results show that thermal process behavior, rather than individual machine parameters, is the dominant driver of defect formation, especially in components with complex geometries and constrained heat dissipation. A key contribution of this work is the development and industrial application of meso- and macro-scale thermal simulations capable of predicting heat accumulation, inter-layer thermal interactions, and substrate temperature evolution throughout the build. Validated against shop-floor monitoring data, these models provide actionable insight into defect trends and process instability. The simulations demonstrate that thermal instabilities are significantly amplified under high-productivity conditions, such as multi-laser scanning and reduced layer exposure times. Building on these findings, the PhD introduces an innovative job design and thermal management strategy suitable for industrial deployment. The approach integrates geometry-aware build planning, scan strategy adaptation, and laser utilization management, enabling a shift from reactive defect detection to feed-forward thermal control. Overall, this work delivers practical methodologies to increase PBF-LB/M productivity while preserving material integrity and supporting faster qualification of safety-critical components.

La tecnologia di fusione su letto di polvere di metallo mediante sorgenti laser (PBF-LB/M) è strategica nel settore dell'energia per la produzione di componenti dal design complesso con requisiti stringenti in termini di caratteristiche meccaniche e affidabilità. Tuttavia, l'impiego industriale di questa tecnologia per applicazioni energetiche e di sicurezza si scontra con lunghi cicli di qualificazione, costi elevati di ispezione e stabilità marginale del processo di fusione, soprattutto laddove l'aspetto della produttività gioca un ruolo fondamentale. Questo lavoro di dottorato, svolto in collaborazione tra Baker Hughes e il Dipartimento di Ingegneria Meccanica del Politecnico di Milano, affronta i limiti industriali sopra citati attraverso un approccio integrato che combina il monitoraggio in-situ del processo, tecniche di controllo non distruttivo (NDE) e modellazione termica multi-scala del processo. La ricerca parte da un caso industriale reale e si concentra sui meccanismi di difettosità guidati da fenomeni termici in un componente di turbina a gas realizzato con materiali a base di nichel, inclusa una lega brevettata da Baker Hughes, dalla ridotta processabilità. I sistemi industriali di monitoraggio in-situ mediante l'impiego di più sensori vengono correlati con difetti legati alla porosità quantificati ex-situ tramite tomografia computerizzata a raggi X (CT) e analisi microstrutturale. I risultati mostrano che il comportamento termico del processo, piuttosto che i singoli parametri macchina, rappresenta il principale fattore responsabile della formazione dei difetti, in particolare nei componenti con geometrie complesse e con limitata dissipazione del calore. Un contributo chiave di questo lavoro è lo sviluppo e l’applicazione industriale di simulazioni termiche a scala meso e macro, in grado di prevedere l’accumulo di calore, le interazioni termiche tra i layer e l’evoluzione della temperatura del substrato durante l’intero processo produttivo. Validati mediante dati di monitoraggio raccolti in produzione, questi modelli forniscono indicazioni operative utili sui trend di difettosità e sull’instabilità del processo. Le simulazioni dimostrano che le instabilità termiche risultano significativamente amplificate in condizioni ad alta produttività, come nella scansione multi-laser e con tempi di esposizione per layer ridotti. Sulla base di questi risultati, il dottorato introduce una strategia innovativa di progettazione del job basato sulla gestione termica, adatta all’implementazione industriale. L’approccio integra la preparazione del job di stampa tenendo in considerazione la geometria, adattando le strategie di scansione e la gestione dell’utilizzo dei laser, contribuendo al passaggio da un approccio iterativo basato su rilevamenti ex-situ post stampa ad uno predittivo in feed-forward basato sulla simulazione del processo termico. Nel complesso, questo lavoro fornisce metodologie pratiche per aumentare la produttività del processo PBF-LB/M mantenendo l’integrità del materiale e supportando una qualificazione più rapida di componenti critici per la sicurezza e per il prodotto finale.