Process optimization of metal 3D printing through thermographic analysis of the melt pool

Soares, Matheus Andre (2026). Process optimization of metal 3D printing through thermographic analysis of the melt pool. Mémoire de maîtrise électronique, Montréal, École de technologie supérieure.

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Résumé

Laser powder bed fusion (LPBF) is one of the most industrially used additive manufacturing technologies for metallic components, but the quality of printed parts is highly sensitive to the process parameters and their effect on the melt pool. Since the melt pool geometry and temperature distribution are related to the formation of process induced defects, residual stresses, and microstructure, their reliable in-situ characterization is essential for both process development and quality assurance.

Among the available monitoring techniques, thermal cameras offer the most direct access to the melt pool surface, however, single-wavelength systems require prior knowledge of the material's emissivity, a property that cannot be reliably determined by a single factor under the transient, multi-phase conditions of the LPBF process. Even dual-wavelength cameras, which in principle eliminate emissivity dependence through the ratio of spectral radiances at two close wavelengths, rely in practice on calibrations performed using tungsten filament lamps. However, spectral characteristics of such lamps differ significantly from those of a laser-formed metallic melt pool, producing physically inconsistent temperature readings when applied to LPBF conditions. These limitations have so far confined most thermal imaging to qualitative process observation rather than quantitative melt pool characterization.

This thesis develops and validates a methodology for quantitative in-situ melt pool monitoring using a dual-wavelength infrared thermal camera calibrated through ex-situ single-track metallography. The dual-wavelength approach eliminates the need for emissivity characterization by utilizing the ratio of spectral radiances measured at two wavelengths (725 and 900 nm), while metallography provides independent melt pool width measurements that serve as both calibration and cross-validation reference. This calibration approach, based on the known liquidus temperatures of five materials (316L, IN625, CoCr, W, and Mo), revealed temperature deviations of up to 450 °C compared to the tungsten filament calibration, confirming that the latter cannot reliably convert radiance emitted into temperature. The complete methodology, combining calibrated thermal imaging with metallographic validation, is initially applied to three alloys (316L, IN625, and CoCr) across a wide range of laser powers and scanning speeds on an EOS M280 system, and further validated on Ti-6Al-4V.

The calibrated camera enables emissivity-independent extraction of melt pool width, length, and surface temperature, with cross-validation between camera and metallographic width measurements showing discrepancies of only 6–9% across all materials. Combined with the metallographic melt pool depth data, this provides a complete three-dimensional melt pool dataset used to assess the reliability of an analytical thermal conduction model. The model proved to be reliable for predicting surface dimensions within the conduction melting regime (global R²adj > 0.70 for length, > 0.52 for width) but systematically underestimates melt pool depth in the keyhole regime due to the neglect of recoil pressure and vapor dynamics, with a consistent linear deviation (slope ≈ 0.30) observed across all three materials.

Titre traduit

Optimisation du procédé d'impression 3d métallique par analyse thermographique du bain de fusion

Résumé traduit

La fusion laser sur lit de poudre (LPBF) est l'une des technologies de fabrication additive métallique les plus utilisées dans l'industrie, mais la qualité des pièces fabriquées demeure fortement dépendante des paramètres du procédé et de leur effet sur le bain de fusion. Étant donné que la géométrie et la distribution de température du bain de fusion déterminent directement la formation de défauts, les contraintes résiduelles et la microstructure, leur caractérisation fiable in situ est essentielle tant pour le développement du procédé que pour l'assurance qualité.

Parmi les techniques de surveillance disponibles, les caméras thermiques offrent l'accès le plus direct à la surface du bain de fusion ; toutefois, les systèmes monochromatiques nécessitent une connaissance préalable de l'émissivité du matériau, une propriété qui ne peut être déterminée de manière fiable par un facteur unique dans les conditions transitoires et multiphasiques du procédé LPBF. Même les caméras bichromatiques, qui éliminent en principe la dépendance à l'émissivité par le rapport des luminances spectrales à deux longueurs d'onde, reposent en pratique sur des calibrations réalisées à l'aide de lampes à filament de tungstène dont les caractéristiques spectrales diffèrent significativement de celles d'un bain de fusion métallique formé par laser, produisant des lectures de température physiquement incohérentes lorsqu'elles sont appliquées aux conditions LPBF. Ces limitations ont jusqu'à présent confiné la plupart des systèmes d'imagerie thermique à une observation qualitative du procédé plutôt qu'à une caractérisation quantitative du bain de fusion.

Cette thèse développe et valide une méthodologie de surveillance quantitative in situ du bain de fusion à l'aide d'une caméra thermique infrarouge bichromatique calibrée par métallographie ex situ de cordons unitaires. L'approche bichromatique élimine le besoin de caractérisation de l'émissivité en utilisant le rapport des luminances spectrales mesurées à deux longueurs d'onde (725 et 900 nm), tandis que la métallographie fournit des mesures indépendantes de largeur du bain de fusion servant à la fois de référence de calibration et de validation croisée. La calibration en cours de procédé, basée sur les températures de liquidus connues de cinq matériaux (316L, IN625, CoCr, W et Mo), a révélé des écarts de température allant jusqu'à 450 °C par rapport à la calibration par filament de tungstène, confirmant que la calibration commerciale ne permettait pas de convertir de manière fiable la luminance émise en température. La méthodologie complète, combinant imagerie thermique calibrée et validation métallographique, est dans un premier temps appliquée à trois alliages (316L, IN625 et CoCr) sur une large gamme de puissances laser et de vitesses de balayage sur un système d’impression EOS M280, puis validée sur le Ti-6Al-4V.

La caméra calibrée permet l'extraction de la largeur, de la longueur et de la température de surface du bain de fusion de manière indépendante de l'émissivité, avec une validation croisée entre les mesures de largeur par caméra et par métallographie présentant des écarts de seulement 6 à 9 % pour l'ensemble des matériaux. Combiné aux données de profondeur de bain de fusion métallographiques, ce dispositif fournit un jeu de données tridimensionnel complet du bain de fusion, utilisé pour évaluer la fiabilité d'un modèle analytique de conduction thermique. Le modèle s'est avéré fiable pour la prédiction des dimensions de surface dans le régime de fusion par conduction (R²adj globale > 0,70 pour la longueur, > 0,52 pour la largeur), mais sous-estime systématiquement la profondeur du bain de fusion dans le régime en trou de serrure en raison de la non-prise en compte de la pression de recul et de la dynamique de la vapeur, avec une déviation linéaire constante (pente ≈ 0,30) observée pour les trois matériaux.

Type de document:	Mémoire ou thèse (Mémoire de maîtrise électronique)
Renseignements supplémentaires:	"Thesis with articles presented to École de technologie supérieure in partial fulfillment of the requirements for the degree of Master of Applied Science in Mechanical Engineering". Comprend des références bibliographiques (pages 97-105).
Mots-clés libres:	fabrication additive, LPBF, surveillance in situ, caméra thermique, pyrométrie bichromatique, calibration en cours de procédé, simulation analytique
Directeur de mémoire/thèse:	Directeur(-trice) Kreitcberg, Alena
Codirecteur:	Codirecteur(-trice) de mémoire/thèse Brailovski, Vladimir
Programme:	Maîtrise en ingénierie > Génie mécanique
Date de dépôt:	23 sept. 2026 19:03
Dernière modification:	23 sept. 2026 19:03
URI:	https://espace.etsmtl.ca/id/eprint/4110

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