Study and spectroscopic monitoring of molten pool emission during laser-metal additive manufacturing

Abstract

Additive Manufacturing (AM) has transformed production by enabling the creation of new items starting from a software blueprint, greatly simplifying prototyping. Among the various AM techniques, Direct Energy Deposition (DED) prints metal parts from powder using a focused laser, allowing the fabrication of pieces with geometries otherwise unattainable. However, commercially ready printed components must meet the same quality and reliability standards as those made with traditional methods, which is not yet guaranteed and limits wider AM adoption. In DED, a high-power laser interacts with a base plate to form a molten pool, where a constant powder flow is then directed. This complex interaction can generate surface and bulk defects in the printed items, such as pores and inclusions. Improving DED reliability requires a deeper understanding of molten pool dynamics and effective online monitoring to optimize process parameters and detect defects as they form. This work presents an optical setup based on compact UV-Vis and NIR spectrometers mounted on the laser head and capable of recording molten pool emission during deposition. The spectra show no plasma features, indicating purely thermal emission, from which the molten pool temperature is computed. Additional metrics, like integrated emitted intensity and a correlation coefficient linking online signals to a reference library, are also calculated from the emission spectra. The molten pool is then studied under different processing conditions, both individually and grouped through combined parameters such as laser energy density, looking for a link between emission and deposition settings. Defect studies in AM are hindered by the lack of standardization. To address this, a modified steel plate with machined grooves and holes of known size and position is used as a printing substrate, providing a standardised source of defects. The recorded optical emission demonstrates that the setup can detect void-like defects down to 1 mm in diameter and track their evolution within the printed material. Finally, a simplified thermal model simulates a laser scanning a metal substrate with an uneven surface. Various defect types and a thermally emitting molten pool are included, along with a realistic light-collection geometry. The simulated emission is processed using the same metrics applied experimentally, and the two sets of results show good agreement for comparable artificial defects. This confirms that simplified numerical simulations can complement, and partly replace, experimental studies in analysing metal AM processes.

Die additive Fertigung (AM) hat die Produktion revolutioniert, indem sie die Herstellung neuer Produkte auf Basis eines Software-Entwurfs ermöglicht und damit die Prototypenentwicklung erheblich vereinfacht. Direct Energy Deposition (DED) ist eine der AM-Techniken, bei der, unter Verwendung eines fokussierten Lasers, Metallteile aus Pulver gedruckt werden. Dies ermöglicht die Herstellung von Komponenten mit ansonsten unerreichbaren Geometrien. Kommerziell einsetzbare gedruckte Komponenten müssen jedoch dieselben Qualitäts- und Zuverlässigkeitsstandards erfüllen wie solche, die mit traditionellen Methoden hergestellt wurden, was noch nicht garantiert ist und eine breitere Einführung von AM einschränkt. Bei der DED-Methode interagiert ein Hochleistungslaser mit einer Grundplatte, um ein Schmelzbad zu bilden, in welches ein konstanter Pulverfluss geleitet wird. Diese komplexe Interaktion kann zu Oberflächen- und Volumenfehlern in den gedruckten Gegenständen führen, wie z. B. Poren und Einschlüssen. Um die Zuverlässigkeit der DED zu verbessern, ist ein tieferes Verständnis der Dynamik des Schmelzbads und eine effektive Online-Überwachung erforderlich, um die Prozessparameter zu optimieren und Fehler zu erkennen, sobald sie entstehen. Diese Arbeit stellt ein optisches Setup vor, welches auf kompakten UV-Vis- und NIR-Spektrometern basiert, die auf dem Laserkopf montiert sind und die Emission des Schmelzbades während der Abscheidung aufzeichnen können. Die Spektren zeigen keine Plasmaeigenschaften, was auf eine rein thermische Emission hindeutet, aus der die Temperatur des Schmelzbades berechnet wird. Zusätzliche Messgrößen, wie die integrierte Emissionsintensität und ein Korrelationskoeffizient, der Online-Signale mit einer Referenzbibliothek verknüpft, werden ebenfalls aus den Emissionsspektren berechnet. Das Schmelzbad wird dann unter verschiedenen Prozessbedingungen untersucht, sowohl einzeln als auch gruppiert durch kombinierte Parameter wie die Laserenergiedichte, um einen Zusammenhang zwischen Emission und Abscheidungseinstellungen zu finden. Durch die mangelnde Standardisierung in der additiven Fertigung wurden bisher kaum Studien zu prozessualen Defekten durchgeführt. Um diesem Problem zu begegnen, wird eine modifizierte Stahlplatte mit maschinell gefertigten Rillen und Löchern bekannter Größe und Position als Drucksubstrat verwendet, das eine standardisierte Quelle für Defekte darstellt. Die aufgezeichnete optische Emission zeigt, dass durch den experimentellen Aufbau hohlraumartige Defekte mit einem Durchmesser von bis zu 1 mm erkennen und deren Entwicklung innerhalb des gedruckten Materials verfolgen kann. Schließlich simuliert ein vereinfachtes thermisches Modell einen Laser, der ein Metallsubstrat mit unebener Oberfläche abtastet. Dabei werden verschiedene Fehlertypen und ein thermisch emittierendes Schmelzbad sowie eine realistische Lichtabfanggeometrie berücksichtigt. Die simulierte Emission wird unter Verwendung derselben Metriken verarbeitet, die auch experimentell angewendet wurden. Beide Ergebnissätze zeigen eine gute Übereinstimmung für vergleichbare künstliche Fehler. Dies bestätigt, dass vereinfachte numerische Simulationen experimentelle Studien bei der Analyse von Metall-AM-Prozessen ergänzen und teilweise ersetzen können.