Progettazione e validazione di un modello predittivo per la correzione geometrica nella deposizione PAW-WAAM di componenti aeronautici

Wire Arc Additive Manufacturing (WAAM) produces large metal preforms at high deposition rates, but with an accuracy that requires a machining allowance for finishing. Excess material is machined away, whereas a shortfall cannot be recovered downstream of the process. The study is carried out on an industrial cell that builds an aero-engine nozzle ring in Waspaloy by plasma arc welding (PAW), with force-controlled rolling between passes. The cell runs in open loop, although it already records data from two laser profilometers and two pyrometers, as well as the process signals. This thesis uses these data to predict the deposited geometry and to correct its deviations. The first contribution is a metrology chain that brings the scans of both profilometers into a single part-fixed reference frame. Because the component is axisymmetric, the scans do not contain the acquisition angle and do not allow self-calibration; registration therefore uses the hand-eye transformation of the cell and the angular position of the table. Each bead is isolated by differencing consecutive scans, with a residual of 41~µm and without requiring an absolute vertical datum. The second contribution is a forward model that simulates the deposition of each bead on the measured surface of the substrate. The model combines mass balance, the thermal behavior of the melt pool, the capillary shape of the cross-section and the effect of the roller. In software-in-the-loop validation the root-mean-square error is 209~µm, against a measurement noise of 148~µm. The next layer is predicted with an error of 317~µm, against 2076~µm for a zero-deposition prediction. The third contribution is an identifiability analysis of the model. Production data allow the deposited area and the deposition efficiency to be estimated. The law that relates the cross-section shape to the recipe parameters remains unidentifiable, because the parameters never vary independently in the data. The thesis therefore defines the minimal experimental design needed to identify that law. Finally, the model residual detects a real lack-of-fusion defect at an arc start, confirmed by independent measurement channels. For an underfill measured on another bead, the closed-loop correction, verified in simulation, reduces the deviation from 377 to 1~µm of equivalent height. The result concerns geometry only: implementation on the machine and verification of metallurgical integrity remain future work.

La deposizione ad arco con filo metallico (WAAM) produce grezzi metallici di grandi dimensioni con elevata produttività, ma con un'accuratezza che richiede un sovrametallo per la lavorazione di finitura. Il materiale in eccesso viene rimosso, mentre una carenza non è recuperabile a valle del processo. Lo studio è condotto su una cella industriale che realizza per saldatura al plasma (PAW) un anello ugello aeronautico in Waspaloy, con rullatura a forza imposta tra le passate. La cella opera in anello aperto, sebbene registri già i dati di due profilometri laser e due pirometri, oltre ai segnali di processo. La tesi utilizza questi dati per prevedere la geometria depositata e correggerne gli scostamenti. Il primo contributo è una catena metrologica che riporta le scansioni dei due profilometri in un unico sistema di riferimento solidale al pezzo. Poiché il componente è assialsimmetrico, le scansioni non contengono l'angolo di acquisizione e non permettono l'autocalibrazione; la registrazione usa quindi la trasformazione hand-eye della cella e la posizione angolare della tavola. Ogni cordone viene isolato per differenza tra scansioni successive, con un residuo di 41~µm, senza richiedere un riferimento verticale assoluto. Il secondo contributo è un modello diretto che simula la deposizione di ciascun cordone sulla superficie misurata del substrato. Il modello combina il bilancio di massa, il comportamento termico del bagno di fusione, la forma capillare della sezione e l'effetto del rullo. Nella validazione software-in-the-loop lo scarto quadratico medio è di 209~µm, a fronte di un rumore di misura di 148~µm. Lo strato successivo è previsto con uno scarto di 317~µm, contro i 2076~µm di una previsione a deposito nullo. Il terzo contributo è un'analisi di identificabilità del modello. I dati di produzione consentono di stimare l'area depositata e il rendimento di deposizione. La legge che lega la forma della sezione ai parametri di ricetta resta invece non identificabile, perché nei dati i parametri non variano mai indipendentemente. La tesi definisce quindi il piano sperimentale minimo per identificarla. Infine, il residuo del modello rileva un difetto reale di mancata fusione all'innesco dell'arco, confermato da canali di misura indipendenti. Per un riempimento insufficiente misurato su un altro cordone, la correzione in anello chiuso, verificata in simulazione, riduce lo scarto da 377 a 1~µm di altezza equivalente. Il risultato riguarda solo la geometria: l'applicazione in macchina e la verifica dell'integrità metallurgica restano sviluppi futuri.