La tecnología de fabricación aditiva láser (AM), con sus ventajas de alta precisión, gran flexibilidad y alto grado de automatización, se utiliza ampliamente en la fabricación de componentes clave en campos como la automoción, la medicina y la industria aeroespacial (por ejemplo, boquillas de combustible para cohetes, soportes de antenas parabólicas, implantes humanos, etc.). Esta tecnología puede mejorar significativamente el rendimiento de las piezas impresas mediante la fabricación integrada de la estructura y el rendimiento del material. Actualmente, la tecnología de fabricación aditiva láser suele emplear un haz gaussiano enfocado con una alta concentración de energía en el centro y baja en los bordes. Sin embargo, esto a menudo genera altos gradientes térmicos en el material fundido, lo que provoca la formación de poros y granos gruesos. La tecnología de conformación del haz es un método novedoso para solucionar este problema, ya que mejora la eficiencia y la calidad de la impresión ajustando la distribución de la energía del haz láser.
En comparación con la sustracción tradicional y la fabricación equivalente, la tecnología de fabricación aditiva de metales presenta ventajas como un ciclo de fabricación corto, alta precisión de procesamiento, alta tasa de utilización de materiales y un buen rendimiento general de las piezas. Por lo tanto, esta tecnología se utiliza ampliamente en industrias como la aeroespacial, armamento y equipos, energía nuclear, biofarmacéutica y automotriz. Basada en el principio de apilamiento discreto, la fabricación aditiva de metales utiliza una fuente de energía (como láser, arco o haz de electrones) para fundir el polvo o alambre y luego apilarlos capa por capa para fabricar el componente deseado. Esta tecnología ofrece ventajas significativas para la producción de lotes pequeños, estructuras complejas o piezas personalizadas. Los materiales que no pueden o son difíciles de procesar con técnicas tradicionales también son aptos para su preparación mediante métodos de fabricación aditiva. Debido a estas ventajas, la tecnología de fabricación aditiva ha atraído una gran atención por parte de investigadores tanto a nivel nacional como internacional. En las últimas décadas, esta tecnología ha experimentado un rápido progreso. Gracias a la automatización y flexibilidad de los equipos de fabricación aditiva láser, así como a las ventajas integrales de la alta densidad de energía láser y la alta precisión de procesamiento, la tecnología de fabricación aditiva láser se ha desarrollado más rápidamente que las otras dos tecnologías de fabricación aditiva de metales mencionadas anteriormente.
La tecnología de fabricación aditiva de metal por láser se puede subdividir en LPBF y DED. La Figura 1 muestra un diagrama esquemático típico de los procesos LPBF y DED. El proceso LPBF, también conocido como fusión selectiva por láser (SLM), permite fabricar componentes metálicos complejos mediante el escaneo de haces láser de alta energía a lo largo de una trayectoria fija sobre la superficie de un lecho de polvo. Posteriormente, el polvo se funde y solidifica capa a capa. El proceso DED incluye principalmente dos procesos de impresión: deposición por fusión láser y fabricación aditiva por alimentación de hilo láser. Ambas tecnologías permiten fabricar y reparar piezas metálicas directamente mediante la alimentación simultánea de polvo o hilo metálico. En comparación con LPBF, DED ofrece mayor productividad y una mayor área de fabricación. Además, este método permite preparar materiales compuestos y materiales con gradiente funcional. Sin embargo, la calidad superficial de las piezas impresas mediante DED suele ser deficiente, por lo que se requiere un procesamiento posterior para mejorar la precisión dimensional del componente.
En el proceso actual de fabricación aditiva por láser, el haz gaussiano enfocado suele ser la fuente de energía. Sin embargo, debido a su distribución de energía particular (alta en el centro, baja en los bordes), es probable que cause altos gradientes térmicos e inestabilidad en el baño de fusión. Esto resulta en una baja calidad de conformado de las piezas impresas. Además, si la temperatura central del baño de fusión es demasiado alta, provocará la vaporización de los elementos metálicos de bajo punto de fusión, lo que agrava aún más la inestabilidad del proceso LBPF. Por lo tanto, con el aumento de la porosidad, las propiedades mecánicas y la vida útil de las piezas impresas se reducen significativamente. La distribución de energía desigual de los haces gaussianos también conlleva una baja eficiencia en el uso de la energía láser y un desperdicio excesivo de energía. Para lograr una mejor calidad de impresión, los investigadores han comenzado a explorar la compensación de los defectos de los haces gaussianos mediante la modificación de parámetros del proceso como la potencia del láser, la velocidad de escaneo, el espesor de la capa de polvo y la estrategia de escaneo, con el fin de controlar la entrada de energía. Debido a la ventana de procesamiento muy estrecha de este método, las limitaciones físicas fijas limitan la posibilidad de una mayor optimización. Por ejemplo, aumentar la potencia del láser y la velocidad de escaneo permite alcanzar una alta eficiencia de fabricación, pero a menudo a costa de sacrificar la calidad de impresión. En los últimos años, modificar la distribución de la energía del láser mediante estrategias de conformación del haz puede mejorar significativamente la eficiencia de fabricación y la calidad de impresión, lo que podría convertirse en la futura dirección de desarrollo de la tecnología de fabricación aditiva láser. La tecnología de conformación del haz generalmente se refiere al ajuste de la distribución del frente de onda del haz de entrada para obtener la distribución de intensidad y las características de propagación deseadas. La aplicación de la tecnología de conformación del haz en la fabricación aditiva de metales se muestra en la Figura 2.
Aplicación de la tecnología de conformación de haces en la fabricación aditiva láser
Las deficiencias de la impresión tradicional con haces gaussianos
En la tecnología de fabricación aditiva de metales por láser, la distribución de energía del haz láser tiene un impacto significativo en la calidad de las piezas impresas. Si bien los haces gaussianos se han utilizado ampliamente en equipos de fabricación aditiva de metales por láser, presentan serios inconvenientes, como una calidad de impresión inestable, un bajo aprovechamiento energético y ventanas de proceso estrechas. Entre ellos, el proceso de fusión del polvo y la dinámica del baño de fusión durante el proceso de fabricación aditiva de metales por láser están estrechamente relacionados con el espesor de la capa de polvo. Debido a la presencia de salpicaduras de polvo y zonas de erosión, el espesor real de la capa de polvo es mayor que el esperado teóricamente. En segundo lugar, la columna de vapor provoca las principales salpicaduras de chorro hacia atrás. El vapor metálico choca con la pared posterior para formar salpicaduras, que se pulverizan a lo largo de la pared frontal perpendicularmente a la zona cóncava del baño de fusión (como se muestra en la Figura 3). Debido a la compleja interacción entre el haz láser y las salpicaduras, estas últimas pueden afectar seriamente la calidad de impresión de las capas de polvo subsiguientes. Además, la formación de poros en el baño de fusión también afecta seriamente la calidad de las piezas impresas. Los poros internos de la pieza impresa se deben principalmente a orificios de bloqueo inestables.
Mecanismo de formación de defectos en la tecnología de conformación de haces
La tecnología de conformación de haces permite mejorar el rendimiento en múltiples dimensiones simultáneamente, a diferencia de los haces gaussianos, que mejoran el rendimiento en una dimensión a costa de sacrificar otras. Esta tecnología permite ajustar con precisión la distribución de temperatura y las características de flujo del baño de fusión. Al controlar la distribución de la energía láser, se obtiene un baño de fusión relativamente estable con un gradiente de temperatura reducido. Una distribución adecuada de la energía láser contribuye a suprimir la porosidad y los defectos de pulverización catódica, y a mejorar la calidad de la impresión láser en piezas metálicas. Permite lograr diversas mejoras en la eficiencia de producción y el aprovechamiento del polvo. Al mismo tiempo, la tecnología de conformación de haces ofrece más estrategias de procesamiento, lo que amplía enormemente la libertad de diseño del proceso y representa un avance revolucionario en la tecnología de fabricación aditiva láser.
Fecha de publicación: 28 de febrero de 2024
