Anturitekniikoiden käyttö kaari-DED-prosessin geometristen häiriöiden seurannassa

Abstract

Tässä kandidaatintyössä tutkitaan anturitekniikoiden hyödyntämistä metallien lisäävässä valmistuksessa kaari-DED-prosessilla, joka tunnetaan myös termillä WAAM (Wire Arc Additive Manufacturing). Työn tutkimuslaajuus on rajattu prosessinaikaisiin geometrisiin muutoksiin ja poikkeamiin. Geometrian reaaliaikainen valvonta on ensiarvoisen tärkeää suorakerrostuksen kumulatiivisen luonteen vuoksi, sillä pienetkin alkuvaiheen virheet kertaantuvat progressiivisesti ylempiin kerroksiin. Työ koostuu kirjallisuuskatsauksesta sekä kokeellisesta osiosta.

Kirjallisuusosiossa kartoitetaan prosessin tyypillisiä haasteita, kuten lämpömuodonmuutoksia, huokoisuutta ja hitsausroiskeita. Tarkempaan tarkasteluun valittiin optinen valvonta (hitsauskamera ja laser-viiva-anturi). Kokeellista osiota varten suunniteltiin CAD-ohjelmistolla erillinen anturipidike, joka valmistettiin 3D-tulostamalla PETG-muovista. Koemittaukset suoritettiin LUT-yliopiston hitsaustekniikan laboratoriossa ABB-robottihitsausasemalla gyroidi-täyttörakenteen testiajon aikana.

Kokeellisen osion tulokset osoittivat, että valitulla anturikokoonpanolla pystyttiin keräämään laajasti prosessidataa. Hitsauskamera mahdollisti hitsisulan ja roiskeiden havainnoinnin suodattamalla valokaaren häikäisyn pois kuvasta. Laser-viiva-anturilla saavutettiin tarkka mitta hitsien todellisesta korkeudesta ja leveydestä. antureiden käyttö prosessin seurannassa varmistetiin onnistuneesti. Työ toimii esikartoituksena datankeruun ja tulevaisuuden autonomisille ohjausjärjestelmille kehittämiselle.

This Bachelor's thesis investigates the utilization of sensor technologies in metal additive manufacturing, specifically in the arc-DED process, also known as WAAM (Wire Arc Additive Manufacturing). The research scope of the work is limited to in-process geometric changes and deviations. Real-time monitoring of the geometry is of paramount importance due to the cumulative nature of directed energy deposition, as even minor initial errors propagate progressively into the upper layers. The work consists of a literature review and an experimental section.

The literature section maps out typical challenges of the process, such as thermal distortions, porosity, and welding spatter. Optical monitoring (welding camera and laser line scanner) was selected for closer examination. For the experimental section, a separate sensor holder was designed using CAD software and fabricated by 3D printing from PETG plastic. The experimental measurements were conducted in the welding technology laboratory of LUT University on an ABB robotic welding station during a test run of a gyroid infill structure.

The results of the experimental section demonstrated that the selected sensor configuration successfully collected extensive process data and verified the performance of the sensors. The welding camera enabled the observation of the melt pool and spatters by filtering out the arc glare from the image. The laser line scanner achieved an accurate measurement of the actual height and width of the welds. The work serves as a preliminary study for the development of data collection and provides a foundation for future autonomous control systems to improve production reliability.