Development, analysis and validation of control systems for electromagnetic force, wire preheating, and dynamic feeding in wire L-DED

Abstract

Estabilizar a transferência metálica e alcançar qualidade consistente do cordão permanecem desafios centrais no processo de Deposição por Energia Dirigida a Laser com Arame (Wire L- DED), limitando sua adoção mais ampla na indústria. Esta pesquisa aborda esses desafios por meio da introdução de três estratégias de controle complementares ? pré-aquecimento indutivo do arame, aplicação de força eletromagnética (FEM) e alimentação dinâmica do arame ? cada uma suportada por hardware e algoritmos de controle dedicados. Em vez de focar apenas na deposição a laser e na descrição do processo, o trabalho enfatiza o projeto, modelagem e validação desses sistemas para possibilitar a modulação em tempo real de condições térmicas, magnéticas e cinéticas durante a transferência metálica. O sistema de pré-aquecimento indutivo opera a 105 kHz e utiliza controle de corrente para regular a temperatura do arame, facilitando a investigação sistemática dos efeitos do pré-aquecimento na destacabilidade da gota e na geometria do cordão. O subsistema FEM gera campos magnéticos controláveis (também a partir do controle de corrente) que atuam de forma atrativa sobre a poça de fusão, reduzindo a diluição de aproximadamente 42% para 27% e aumentando a altura do cordão de 0,81 mm para 0,97 mm no experimento realizado, sem que a polaridade apresente influência significativa no comportamento da transferência. O mecanismo de alimentação dinâmica introduz modulação oscilatória da velocidade de alimentação, alcançando baixo erro de posicionamento (<1%) e aumentando a estabilidade da transferência metálica, especialmente em frequências intermediárias de oscilação (5 Hz ? 15 Hz). Testes de deposição combinada demonstraram compatibilidade entre as três técnicas, resultando em condições de operação estáveis e permitindo estudos detalhados de seus efeitos acoplados sobre a morfologia do cordão e a estabilidade do processo. De modo geral, a plataforma integrada desenvolvida neste trabalho representa um avanço significativo nas capacidades laboratoriais para otimização do Wire L- DED, fornecendo um sistema flexível para investigações futuras e estratégias aprimoradas de controle em manufatura aditiva.

Abstract: Stabilizing metal transfer and achieving consistent bead quality remain key challenges in Wire Laser-Directed Energy Deposition (Wire L-DED), limiting its broader industrial adoption. This research addresses these challenges by introducing three complementary control strategies - inductive wire preheating, electromagnetic force (EMF) application, and dynamic wire feeding - each supported by dedicated hardware and control algorithms. Rather than focusing solely on laser deposition and process description, the work emphasizes the design, modeling, and validation of these systems to enable real-time modulation of thermal, magnetic and kinetic conditions during metal transfer. The inductive preheating system operates at 105 kHz and employs current control to regulate wire temperature, facilitating systematic investigation of preheating effects on droplet detachment and bead geometry. The EMF subsystem generates controllable magnetic fields (also from current control) that act attractively on the melt pool, reducing dilution from approximately 42% up to 27% and increasing bead height from 0.81 mm up to 0.97 mm in the performed experiment, with polarity having no significant influence on transfer behavior. The dynamic feeding mechanism introduces oscillatory modulation of feed speed, achieving low positioning error (<1%) and enhancing droplet transfer stability, particularly at intermediate oscillation frequencies (5Hz ? 15Hz). Combined deposition tests demonstrated compatibility among the three techniques, yielding stable operating conditions and enabling detailed studies of their coupled effects on bead morphology and process stability. Overall, the integrated platform developed in this work significantly advances laboratory capabilities for optimizing Wire L-DED, providing a flexible basis for future investigations and improved control strategies in additive manufacturing.