Towards multi-sensor monitoringand control of Directed Energy Deposition using a Laser Beam

Sammanfattning: Under senare år har omfattande insatser gjorts för att främja mer hållbara flygtransporter i Europa. De konventionella tillverkningsmetoderna som används inom flyg- och rymdindustrin kräver betydande mängder råmaterial, vars utvinning, bearbetning och användning har negativa miljöeffekter. Därför finns det ett starkt incitament att utveckla nya, mer material-effektiva tillverkningsmetoder.Additiv tillverkning (AM), även känd som 3D-printining, har fördelen att direkt komma nära den slutliga formen på strukturer genom att lägga till material endast där det behövs, något som minimerar spill och förbättrar materialanvändningen. Dock utgör införandet av AM komponenter i säkerhetskritiska flyg- och rymdtillämpningar en betydande utmaning på grund av komplexiteten hos processerna. Denna komplexitet kan leda till tillverkningsvariationer som i sin tur kan resultera i defekter i de tillverkade strukturerna. Därför är framsteg inom automation genom utvecklingen av lösningar för övervakning och styrning under processens gång ett nödvändigt steg för att uppnå tillräcklig pålitlighet och repeterbarhet.Denna avhandling presenterar en utveckling av multisensorövervakning och styrning av Directed Energy Deposition (DED) med en laservärmekälla (LB). DED-LB är en avancerad teknik som möjliggör tillverkning av storskaliga metallkomponenter nära den slutliga formen. I detta arbete har lösningar undersökts för övervakning av DED-LB med tillsatspulver och tråd. För fallet med tillsatstråd kan denna kompletteras med resistiv förvärmning (så kallad hotwire), vilket ger möjlighet att ytterligare finjustera värmetillförseln och förbättra smältprocessen. För övervakningsändamål undersöktes tre olika in-situtekniker för processens stabilitet och varians. Maskinseende och elektriska givare användes för DED-LB med tillsatstråd (DED-LB/w), medan optisk spektroskopi användes för övervakning både av processen med tillsatspulver (DEDLB/p) samt med tråd. Ett multisensorsystem baserat på de tre teknologierna testades för DED-LB/w. Det kamerabaserade systemet gav tydliga indikationer på avvikelser från nominella processförhållanden.Spännings-och strömgivarnas signaler korrelerade med förändringar i processparametrar och återspeglade tydligt metallöverföringen. Spektrometersystemet indikerade förändringar relaterade till värmeöverföringen. Dessutom möjliggjorde analysen av erhållna spektra en detektering av förluster av viktiga legeringselement under DED-LB/p.Slutsatsen från resultaten understryker behovet av multisensorövervakning, eftersom det inte bara möjliggör detektering och skattning av processförändringar utan även en bättre förståelse av deras grundorsaker. Den presenterade ansatsen är ett viktigt bidrag i utvecklingen av ett framtida robust och feltolerant automatiskt styrsystem.