Experimental Investigation of Deposition Strategies Through Laser-based Wire DED of Stainless Steel 316

Basker Krishnan

Diplomová práce

Anotace:

Tato diplomová práce se zabývá experimentálním zkoumáním vlivu vstupních procesních parametrů na nerezovou ocel 316 vyráběnou technologií Wire Directed Energy Deposition (Wire-DED). Studie je zaměřena především na analýzu vlivu výkonu laseru, rychlosti pohybu a tloušťky vrstvy na objemové chování a rozměrovou přesnost aditivně vyráběných součástí. Wire-DED představuje moderní technologii kovového aditivního výrobního procesu, která umožňuje současné nanášení a tavení materiálu pomocí koncentrovaného laserového zdroje energie. Díky vysoké efektivitě nanášení materiálu, nízkým materiálovým ztrátám a možnosti výroby i oprav kovových součástí získává tato technologie významné průmyslové využití. V této práci byl jako přídavný materiál použit drát z nerezové oceli 316 díky jeho vysoké korozní odolnosti, dobrým mechanickým vlastnostem a vhodné svařitelnosti. Experimentální výroba byla provedena pomocí systému Meltio M600 vybaveného šesti vláknovými lasery a CNC řízeným pohybovým systémem. Pro optimalizaci experimentálního procesu byla použita Taguchiho metoda s ortogonálním polem L9, která umožnila systematickou analýzu vlivu parametrů při minimálním počtu experimentů. Bylo vyrobeno devět vzorků ve tvaru krychle o rozměrech 20 mm × 20 mm × 20 mm s různými kombinacemi parametrů. Pro hodnocení kvality a stability procesu byla provedena rozměrová a objemová analýza pomocí optického skeneru ATOS Q 12M. Naměřené výsledky byly porovnány s nominálními CAD rozměry za účelem stanovení objemových a rozměrových odchylek v šířce (Ly) a výšce (Lz). Výsledky ukázaly, že výkon laseru měl nejvýznamnější vliv na kvalitu výroby. Vyšší výkon laseru zlepšil stabilitu tavné lázně a konsolidaci materiálu, což vedlo k lepší objemové stabilitě. Nadměrný tepelný vstup však zároveň zvýšil odchylky ve vertikálním směru v důsledku nadměrného nanášení materiálu. Vliv rychlosti pohybu na objemové odchylky byl ve srovnání s výkonem laseru relativně malý, přesto však ovlivňoval stabilitu tavné lázně a charakter depozice. Tloušťka vrstvy vykazovala střední vliv, zejména na výškové odchylky, kde větší tloušťka vrstvy způsobovala vyšší rozměrové nepřesnosti. Statistická analýza ANOVA potvrdila, že výkon laseru byl nejvýznamnějším parametrem procesu s přibližně 74% podílem na celkové objemové odchylce a nejnižší p-hodnotou 0,01. Tloušťka vrstvy vykazovala střední významnost, zatímco rychlost pohybu měla minimální statistický vliv. Výsledky práce potvrzují silnou souvislost mezi tepelným vstupem, chováním tavné lázně a rozměrovou kvalitou při procesu Wire-DED. Získané poznatky přispívají k lepšímu pochopení a optimalizaci procesních parametrů pro zlepšení kvality výroby a stability procesu při aditivní výrobě z nerezové oceli.

Abstract:

This thesis presents an experimental investigation on the effect of process input parameters on Stainless Steel 316 fabricated through Wire Directed Energy Deposition (Wire-DED) technology. The study mainly focuses on understanding how laser power, travel speed, and layer thickness influence the volumetric behaviour and dimensional accuracy of additively manufactured components. Wire-DED is considered an advanced metal additive manufacturing process that enables simultaneous material deposition and melting using a focused laser heat source. Due to its high deposition efficiency, reduced material waste, and capability for manufacturing and repairing metallic components, the technology has gained significant industrial importance. In this research, Stainless Steel 316 wire was selected as the feedstock material because of its excellent corrosion resistance, mechanical strength, and good weldability characteristics. Experimental fabrication was carried out using the Meltio M600 laser wire deposition system integrated with six fibre lasers and CNC-controlled motion. A Taguchi L9 orthogonal array was adopted to reduce the number of experiments while systematically analysing the influence of process parameters. Nine cube samples with dimensions of 20 mm × 20 mm × 20 mm were fabricated under different parameter combinations. To evaluate process quality and stability, dimensional and volumetric analyses were performed using the ATOS Q 12M optical scanning system. Measured results were compared with nominal CAD dimensions in order to determine volume deviation and dimensional deviation in both width (Ly) and height (Lz). The obtained results showed that laser power had the strongest influence on the manufacturing quality. Higher laser power improved melt pool stability and material consolidation, resulting in better volumetric consistency. However, excessive heat input also increased vertical dimensional deviation due to over-deposition. The effect of travel speed on volume deviation was found to be relatively small compared with laser power, although travel speed still influenced melt pool stability and deposition behaviour. Layer thickness showed moderate influence, particularly on height deviation, where increased thickness caused greater vertical dimensional inaccuracy. Statistical analysis using ANOVA confirmed that laser power was the most significant process parameter, contributing approximately 74% to the total volumetric deviation with the lowest p-value of 0.01. Layer thickness showed moderate significance, whereas travel speed exhibited minimal statistical contribution. Overall, the study demonstrates the strong relationship between thermal energy input, melt pool behaviour, and dimensional quality in Wire-DED processing. The findings contribute to better understanding and optimization of process parameters for improving manufacturing quality and process stability in stainless steel additive manufacturing applications.

Klíčová slova

Directed Energy Deposition, Wire-DED, nerezová ocel 316, aditivní výroba, výkon laseru, rozměrová přesnost, objemová odchylka, tavná lázeň, Taguchiho metoda, ANOVA analýza.

Keywords

Directed Energy Deposition, Wire-DED, Stainless Steel 316, Additive Manufacturing, Laser Power, Dimensional Accuracy, Volume Deviation, Melt Pool, Taguchi Method, ANOVA Analysis.

Jazyk práce: angličtina

Datum vytvoření / odevzdání či podání práce: 11. 5. 2026

Obhajoba závěrečné práce

• Obhajoba proběhla 2. 6. 2026
• Vedoucí: Mohammad Ghasemian Fard
• Oponent: Jiří Hajnyš

VŠB – Technická univerzita Ostrava

Fakulta strojní

Magisterský studijní program:
Strojírenská technologie