Translating Microstructural, Mechanical and Process Insights to Part-Level Design in Directed Energy Deposition

Abstract

Suorakerrostusmenetelmä (Directed Energy Deposition, DED) käsittää joukon lupaavia materiaalia lisäävän valmistuksen teknologioita (Additive Manufacturing, AM) suurten metallikompoenttien valmistukseen. DED:n teollinen käyttöönotto on kuitenkin rajallista, sillä prosessin valvontaan ja materiaalien ominaisuuksien yhdenmukaisuuden varmistamiseen liittyy vielä haasteita. Vaikka kyseisellä menetelmällä on suhteellisen helppo valmistaa osia, materiaaliominaisuuksien hallinta on edelleen merkittävä ongelma, joka rajoittaa sen luotettavuutta teollisessa käytössä. Tässä väitöskirjassa käsitellään erityisesti näitä haasteita keskittyen mikrorakenteen hallintaan sekä skaalautuvuuteen teollisissa sovelluksissa.

Tutkimuksessa on tärkeää tunnistaa keskeiset parametrit, jotka vaikuttavat laskeutumisen laatuun, kuten materiaaliominaisuuksiin ja geometrisiin ominaisuuksiin. Konvoluutiohermoverkkoihin (CNN) perustuvat menetelmät mahdollistavat reaaliaikaisen sulatusaltaan seurannan kuvantunnistuksen avulla. Karakterisointi on olennaista epäsäännöllisyyksien, kuten vaihejakautuman sekä ominaisuuksien epähomogeenisuuden, havaitsemiseksi, jotta niiden perimmäiset syyt voidaan tunnistaa. Lisäksi rakeiden hienosäätömenetelmät, kuten prosessin aikainen ultraäänivärähtely (UV), voivat parantaa materiaalin ominaisuuksia. Lopuksi skaalautuminen osatasolle edellyttää suunnittelumuutoksien ja materiaaliominaisuuksien yhteensopivuutta, jotta ne vastaisivat valmistuksessa käytettäviä ominaisuuksia.

Tässä työssä tutkitaan kahta DED-teknologiaa: suorakerrostusta energianlähteenään valokaari (WA-DED) ja suorakerrostusta lankalaserilla (WL-DED) viiden tieteellisen julkaisun pohjalta. Tutkimuksessa testataan erilaisia metalliseoksia, kuten ruostumattomia 316L- ja Duplex- ruostumattomia teräksiä, Ni-pohjaista Inconel 625:tä, mietoja teräksiä ja korkealujuuksisia, niukkaseosteisia teräksiä. Tutkimuksen keskeiset tulokset osoittavat prosessiparametrien vaikuttavan suoraan materiaalin ominaisuuksiin ja kappaleen geometriaan. UV-käsittely parantaa merkittävästi mikrorakennetta muuttamalla faasimorfologiaa ja sen jakaumaa. Mikrorakenteesta koko kappaleen suunnitteluun siirtyminen edellyttää integroitua, monialaista lähestymistapaa. Tämä monitieteinen lähestymistapa on olennaisen tärkeä, jotta kyseiset teknologiat voidaan ottaa käyttöön todellisissa sovelluksissa. Tulevassa tutkimuksessa olisi yhdistettävä optimoidut prosessiparametrit UV-käsittelyyn ja reaaliaikaiseen seurantaan, jotta voidaan edistää täysimittaista kappaleiden valmistusta.

Directed Energy Deposition (DED) is a promising additive manufacturing technology for large-scale metal components, but its industrial adoption remains limited due to challenges in process control and material property consistency. Despite its efficiency, DED struggles with inconsistent material properties, limiting its reliability in industry. This work addresses these challenges through a focus on microstructural control and scalability for industrial applications.

Identifying key parameters influencing deposition quality, including material properties and geometrical features, is crucial. Convolutional neural network (CNN)- based methods enable real-time melt pool monitoring through image recognition. Characterization is essential for detecting irregularities, such as phase distribution, and properties inhomogeneity, to identify the root causes. Moreover, grain refinement methods, such as in-process ultrasonic vibration (UV) can improve material properties. Finally, scaling up to the part level requires design modifications and material characteristics to match those used in manufacturing.

This work investigates two DED technologies: Wire arc DED (WA-DED) and wire laser DED (WL-DED), through five publications. The research includes testing various metal alloys, such as 316L and Duplex stainless steels, Ni-based Inconel 625, mild steel, and high-strength-low-alloyed steel. Results demonstrate that process parameters directly influence material properties and part geometry. UV-treatment significantly refines microstructure by altering phase morphology and distribution. Finally, scaling from microstructure to full-part design requires an integrated, multidisciplinary approach. This multidisciplinary approach is essential for facilitating the adoption of such technologies in real-world applications. Future research should integrate optimized process parameters with UV-treatment and real-time monitoring to advance full-scale part manufacturing.

Le dépôt de matière sous énergie concentrée (DED) est une des sous catégories de fabrication additive (AM), permettant la production de composants de grande taille. Cependant, leur adoption dans l’industrie reste limitée notamment dû aux problématiques liées au contrôle du process et au contrôle microstructural. Malgré la relative facilitée de produire une pièce, le contrôle des propriétés des matériaux reste un défi majeur pour permettre une large adoption par le tissu industriel. Ces travaux traitent de ces problèmes au travers d’un focus sur le contrôle des microstructures matériaux mais aussi d’une « mise à l’échelle » avec un cas d’étude concret.

L’identification des paramètres clés influençant la qualité de dépôt est essentielle, en tenant compte notamment des propriétés des matériaux et des caractéristiques géométriques. Grâce à des méthodes telles que les réseaux neuronaux convolutifs (CNN), le bain de fusion peut être surveillé en cours de fabrication par analyse d’images en temps réel. La caractérisation du métal déposé est une étape nécessaire pour détecter certaines irrégularités, telles que la distribution des phases ou l’inhomogénéité des propriétés mécaniques. De plus, l’utilisation de techniques telles que la vibration ultrasonore (UV) en cours de dépôt peut améliorer efficacement les propriétés des matériaux en affectant directement la microstructure. Enfin, l'évaluation de pièces de grande dimension nécessite une adaptation du design et une prise en compte des caractéristiques des matériaux afin d’assurer une cohérence avec celles obtenues lors de la fabrication.

Ce document explore deux technologies DED : le dépôt d'énergie dirigée par arc (WA-DED) et le dépôt d'énergie dirigée par laser (WL-DED), à travers cinq publications. Les sujets de recherche incluent l'étude de divers alliages métalliques, tels que les aciers inoxydables 316L et Duplex, l'Inconel 625, un acier faiblement allié et un acier a hautes limite élastique (HLE). Les résultats démontrent que les paramètres du procédé influencent directement les propriétés des matériaux et la géométrie des pièces. Le traitement par UV permet un affinement significatif de la microstructure en modifiant la morphologie et la distribution des phases. Enfin, le changement d’échelle vers une pièce de grande dimension nécessite une approche intégrée et pluridisciplinaire. Cette approche est essentielle pour favoriser l’adoption de ces technologies dans des applications industrielles. De futures études pourront associer l’optimisation des paramètres de procédé au traitement par vibration ultrasonore et à des solutions de monitoring en cours de fabrication, afin de contribuer à la montée en maturité de la fabrication de pièces de grande dimension.