La camera Allied Vision monitora i difetti LPBF

I sistemi Laser Powder Bed Fusion (LPBF) si affidano sempre più al monitoraggio in situ per migliorare la stabilità del processo e ridurre i difetti nella produzione additiva metallica. Il rilevamento dei difetti sotto la superficie durante la stampa resta però complesso, poiché molte anomalie si sviluppano sotto lo strato attivo e non possono essere identificate tramite la sola ispezione ottica convenzionale. In questo contesto, Allied Vision ha riferito che i ricercatori della KU Leuven hanno utilizzato la telecamera ad alta velocità EoSens 3CL per correlare le firme di processo in tempo reale con la porosità interna nei componenti prodotti tramite LPBF.

Comportamento dello spatter e integrità del componente
La tecnologia LPBF utilizza un laser ad alta potenza per fondere e unire selettivamente polvere metallica strato dopo strato. Sebbene il processo consenta la produzione di componenti metallici complessi per i settori aerospaziale, medicale, automobilistico e industriale, molti difetti si originano sotto lo strato attivo e risultano difficili da rilevare durante la stampa.

Una delle principali cause di questi difetti è lo spatter generato dal bagno di fusione durante l’interazione laser-materiale. Le goccioline di metallo fuso espulse possono ossidarsi durante il volo prima di ridepositarsi sul letto di polvere, contribuendo alla formazione di inclusioni, spessori di strato irregolari, variazioni della rugosità superficiale, incoerenze microstrutturali e porosità indotta dal processo.

Poiché numero, velocità e direzione dello spatter possono essere misurati otticamente, questi parametri vengono sempre più utilizzati come indicatori fisici nei sistemi di monitoraggio per la produzione additiva.

Imaging ad alta velocità a 20.000 fotogrammi al secondo
Il team della KU Leuven ha installato la telecamera EoSens 3CL con un’inclinazione di 25 gradi rispetto alla piastra di costruzione, senza modificare l’ottica della macchina LPBF né il percorso del laser. Utilizzando un tempo di esposizione di 30 microsecondi e un filtro short-wave-pass da 975 nm, il sistema ha acquisito emissioni nella gamma visibile e vicino infrarosso compresa tra 350 e 975 nm durante test di fusione a singola traccia su acciaio inossidabile 316L.

Operando a 20.000 fotogrammi al secondo, la telecamera ha registrato un campo visivo di 12 mm × 12 mm con una risoluzione di circa 100 micrometri per pixel, consentendo di analizzare i singoli eventi di spatter fotogramma per fotogramma.

I ricercatori hanno estratto cinque indicatori di processo dai dati acquisiti: rapporto lunghezza-larghezza della zona di processo, area della zona di processo, intensità media della zona di processo, velocità dello spatter e numero di particelle espulse. Le velocità misurate delle goccioline variavano da 0,4 m/s a 7,8 m/s in funzione delle diverse condizioni di potenza laser e velocità di scansione.

Relazione tra velocità di scansione e instabilità
Lo studio ha identificato la velocità di scansione come uno dei principali fattori che influenzano l’instabilità del processo. Le aree più ampie della zona di processo e i rapporti dimensionali più elevati sono stati osservati in condizioni di instabilità di Plateau-Rayleigh associate a combinazioni di elevata potenza laser e alte velocità di scansione.

L’interfaccia Camera Link della telecamera è stata integrata con un sistema di acquisizione NI PXI sincronizzato con i dati del controller MCP a 100 kHz. Questa configurazione ha consentito l’allineamento temporale tra i dati di monitoraggio ottico e i parametri macchina a livello di singolo fotogramma anche a velocità di scansione tipiche della produzione industriale.

Il sistema di monitoraggio ha funzionato senza modifiche fisiche alla macchina LPBF, rendendo l’approccio di rilevamento indipendente dalla piattaforma e non invasivo per ambienti di produzione additiva industriale.

Il monitoraggio in tempo reale collegato alla porosità interna
Lo studio ha stabilito una correlazione diretta tra il numero di eventi di spatter rilevati in tempo reale e il numero di porosità keyhole misurate successivamente tramite tomografia computerizzata a raggi X (X-CT). Il risultato ha dimostrato che le firme ottiche superficiali possono essere utilizzate per prevedere difetti volumetrici interni senza ispezionare direttamente il componente stampato.

Le misurazioni della topografia superficiale hanno confermato l’analisi dello spatter derivata dalla telecamera tramite tecniche di cross-correlation template matching. Inoltre, un modello agli elementi finiti ha previsto accuratamente la geometria del bagno di fusione per diversi set di parametri.

I risultati supportano lo sviluppo di sistemi LPBF a controllo chiuso che combinano sensori ottici ad alta velocità con regolazioni automatiche del processo. Tali sistemi stanno assumendo crescente importanza nei flussi di produzione digitale orientati alla riduzione degli scarti, al miglioramento della ripetibilità e alla diminuzione delle esigenze di ispezione post-processo.

Edito da Aishwarya Mambet, redattrice di Induportals, con il supporto dell’IA.

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