Monitoring and sustainability assessment of the Direct Laser Metal Deposition process

The advent of the Industry 4.0 paradigm has upset the Italian and global industrial sector. Thanks to it, increasing attention is being paid to innovation, digitization and sustainability of production processes. The concept of industrial production has radically changed so much until calling this current historical period the "fourth industrial revolution". One of the seven pillars of the Industry 4.0 paradigm is Additive Manufacturing (AM). Within this ecosystem, AM plays a key role in the development and production of prototypes and final components, characterized by extreme customization and complex geometries, which cannot be achieved by means of traditional production techniques. This innovative technology contrasts with the traditional conception of the production processes, which has characterized the last few centuries. The idea of producing components not by subtracting material from a bulk, but by selective addition, inexorably changes all the main principles of industrial production. AM has not only changed the way of producing, but the whole production and distribution chain connected to it, starting from the supply chain for raw materials, up to ad-hoc production and distribution by makers. All of this has been possible thanks to the concomitant development of mechanics, robotics, sensors and software design fields. The most recent innovations in these sectors have been combined in the various technologies that make up the AM world, decreeing its worldwide success and allowing the creation of components, not imaginable up to 50 years ago. These indisputable potentials have attracted the attention of various industrial sectors, including architectural, aerospace, automotive and biomedical design. Currently, Direct Laser Metal Deposition (DLMD) is undoubtedly among the AM processes that are gaining more interest from the scientific and industrial sectors. This technology uses the potentiality and flexibility given by a laser beam to produce, layer by layer, free-form 3D components or functionally recovered worn components. The capability to process a wide selection of materials (metallic, polymeric and ceramic) is leading to the development of components characterized by extreme performances. However, this technology has only a few decades of life behind it, still has several critical issues that characterize it, and that the scientific world is trying to solve. The present doctoral thesis tries to face, with a rigorous scientific method, the challenges that still preclude the diffusion of the DLMD on an industrial level. The first chapters start with a careful analysis of the state of the art in the Additive Manufacturing sector. Then, focusing on an in-depth study of DLMD technology, this work examines the components of the system, analyses the workable materials and the main feasible applications. After this indispensable survey of the state of the art, attention shifted to the focal points of the doctoral activities. Different modelling practices related to the DLMD process were analysed. The main parameters involved in the process were identified and their effects on the mechanical characteristics and quality of the deposition were evaluated. The different deposition models of single traces were catalogued according to the methodology and the pursued objectives. A phenomenological model was developed, which correlate the main process parameters to the quality of the deposition, in an efficient and computationally convenient way. Further process parameters involved in the production of multilayer components were investigated, which incorrect setting may lead to process failure. An innovative method was therefore evaluated to mitigate variations in the working distance, by varying the laser spot dimension. The fourth chapter of the thesis is dedicated to the monitoring of the process. DLMD is a very flexible but also extremely delicate and complex technology. Nowadays, the search for the quality of components inexorably passes through a rigorous process control that may ensure excellent working conditions. The in-process and post-process monitoring methods applied to the technology were then analysed and classified. Thanks to collaborations with external research centres, such as the ENEA centre of Brindisi, it was possible to carry out an in-depth thermal monitoring campaign of single-pass and multi-pass depositions. The influence of process parameters and deposition strategies on the thermal field generated during the processing of nickel-based superalloy, which has a significant influence on the final product quality is highlighting. The DLMD process was also monitored by an optical method, via a coaxial CCD camera mounted on the laser head, capable of visualizing the molten pool and detect the geometric changes during processing. The quality of the laser deposition was also evaluated in a post-process step by ultrasonic techniques, which are useful for mechanically characterizing the specimens and identifying some deposition defects. In the last chapter of the thesis, the sustainability of the DLMD processes is assessed. First of all, an analysis of the literature was carried out to detect works related to the AM domain and methods for assessing economic, social and environmental impacts. Considerable differences with respect to traditional production techniques were discovered, which under certain conditions, make the AM techniques the best choice from various points of view. Several techniques for assessing sustainability were explored, especially for the assessment of the environmental impact. It is highlighted that some of them are now globally recognized, while others are currently under development, albeit showing considerable advantages. Starting from the last point, Exergetic Analysis was finally developed on the prototype DLMD system present in the laboratories of the Department of Mechanics, Mathematics and Management (DMMM) of the Polytechnic University of Bari.

L’avvento del paradigma dell’Industria 4.0 ha stravolto il settore industriale italiano e mondiale. Grazie ad esso si sta rivolgendo una crescente attenzione all’innovazione, digitalizzazione e sostenibilità dei processi produttivi. Il concetto stesso di produzione industriale si sta pian piano modificando radicalmente, tanto da denominare questo periodo la “quarta rivoluzione industriale”. Uno dei sette pilastri fondanti del paradigma della Industria 4.0 è l’Additive Manufacturing (AM). All'interno di questo ecosistema, l'AM gioca un ruolo chiave per lo sviluppo e la produzione di prototipi e componenti finali, caratterizzati da un’estrema personalizzazione e da geometrie complesse, irrealizzabili con le tradizionali tecniche produttive. Questa tecnologia innovativa si contrappone alla concezione tradizionale di processo produttivo, che ha contraddistinto gli ultimi secoli. L’idea di produrre componenti non per sottrazione di materiale da un grezzo di partenza, ma per selettiva aggiunta, stravolge inesorabilmente tutti i principi cardine della produzione industriale. L’AM non ha modificato solo il modo di produrre, ma tutto la catena di produzione e distribuzione ad essa collegata, partendo dalla supply chain per le materie prime, fino alla produzione e distribuzione ad-hoc da parte dei makers. Tutto ciò si è potuto realizzare grazie al concomitante sviluppo dei settori della meccanica, robotica, sensoristica e della progettazione software. Le più recenti innovazioni in questi settori si sono combinate nelle diverse tecnologie che compongo il mondo dell’AM, decretandone il successo a livello mondiale e permettendo la realizzazione di componenti, inimmaginabili fino a 50 anni fa. Queste indiscutibili potenzialità hanno attratto l’attenzione di diversi settori industriali, tra i quali spiccano la progettazione architettonica, aerospaziale, automobilistica e biomedicale. Attualmente, tra i processi AM che stanno riscuotendo maggiore interesse da parte del settore scientifico ed industriale, vi è senza alcun dubbio la Direct Laser Metal Deposition (DLMD). Questa tecnologia utilizza le potenzialità e la flessibilità date da un fascio laser per produrre, strato per strato, componenti 3D free-form o recuperare funzionalmente componenti usurati. La capacità di poter lavorare una selezione molto ampia di materiali (metallici, polimerici e ceramici) sta portando allo sviluppo di componenti caratterizzati da prestazioni estreme. Tale tecnologia, però, avendo alle spalle pochi decenni di vita, ha ancora diverse criticità che la caratterizzano e che il mondo scientifico sta tentando di risolvere. La presente tesi di dottorato ha cercato di affrontare, con rigoroso metodo scientifico, le sfide che ancora impedisco la diffusione a livello industriale del DLMD. Si è partiti nei primi capitoli da un’attenta analisi dello stato dell’arte del settore dell’Additive Manufacturing. Concentrandosi successivamente sullo studio approfondito della tecnologia DLMD, sviscerandone i componenti che costituiscono il sistema, analizzando i materiali utilizzabili e le principali applicazioni realizzabili. Dopo quest’imprescindibile analisi dello stato dell’arte, l’attenzione si è spostata sui punti focali dell’attività di dottorato. Si sono analizzate le diverse modellazioni relative al processo DLMD. Sono stati individuati i principali parametri coinvolti nel processo e valutati i loro effetti sulle caratteristiche meccaniche e la qualità della deposizione. Sono stati catalogate le diverse modellazioni di deposizione di singole tracce in funzione della metodologia e degli obiettivi perseguiti. Si è deciso quindi di elaborare un modello fenomenologico che possa correlare i principali parametri di processo alla qualità della deposizione, in maniera efficiente e computazionalmente conveniente. Ci si è rivolti successivamente agli ulteriori parametri di processo coinvolti nella produzione di componenti multilayer, il cui errato settaggio può comportare il fallimento della produzione. È stato quindi valutato un metodo innovativo per mitigare le variazioni della distanza di lavoro, mediante variazione dello spot laser. Il quarto capitolo della tesi è dedicato al monitoraggio di processo. Il DLMD è una tecnologia molto flessibile ma anche estremamente delicata e complessa. Al giorno d’oggi la ricerca della qualità dei componenti, passa inesorabilmente da un controllo del processo che possa assicurare ottime condizioni di lavoro. Sono stati quindi analizzati e classificati i metodi di monitoraggio in-process e post-process applicati alla tecnologia. Grazie a collaborazioni con centri di ricerca esterni, quali l’ENEA di Brindisi, è stato possibile eseguire un’approfondita campagna di monitoraggio termico di deposizioni a singola passata e multi passata. Evidenziando l’influenza dei parametri di processo e delle strategie di deposizione sul campo termico, che ha una notevole influenza sulla qualità del prodotto finale. Il processo di DLMD è stato monitorato anche con metodologia ottica, tramite una videocamera coassiale solidale con la testa laser, in grado di visualizzare la pozza fusa e di metterne in evidenza le modifiche geometriche nel corso della lavorazione. La qualità della deposizione laser è stata valutata anche post-process con tecniche ultrasoniche, che si rivelano utili per caratterizzare meccanicamente i provini realizzati e identificare alcuni difetti. Nell’ultimo capitolo della tesi è stata valutata la sostenibilità delle lavorazioni DLMD. Innanzitutto, è stata effettuata un’analisi della letteratura per mettere in mostra i lavori relativi al mondo AM e i metodi di valutazione degli impatti di tipo economico, sociale ed ambientale. Sono state scoperte ragguardevoli differenze rispetto alle tradizionali tecniche produttive, che in determinate condizioni di produzione, rendo le tecniche AM superiori sotto diversi punti di vista. Sono state sviscerate le diverse tecniche di valutazione della sostenibilità, utili a valutare soprattutto l'impatto ambientale. Si è messo in evidenza come alcune siano ormai riconosciute a livello globale, mentre altre siano in fase di sviluppo seppur mostrando notevoli vantaggi. Partendo da quest’ultimo punto, si è infine sviluppata un'analisi exergetica sul sistema prototipale presente nei laboratori del Dipartimento di Meccanica, Matematica e Management (DMMM) del Politecnico di Bari.