Captura de calor para la fabricación aditiva de metales

La deformación es un problema común en la fabricación aditiva de metal y ha provocado que la esquina de esta placa se levante hacia arriba. (Imagen cortesía de Prabhakar et al.)

Los ingenieros, científicos y expertos en fabricación de todo el mundo se encuentran en una situación frustrante cuando se trata de fabricación aditiva (FA).

Tenemos una tecnología increíblemente poderosa en nuestras manos, inigualable en su capacidad para crear geometrías complejas. Puede construir partes directamente desde un dibujo de computadora, por lo que la brecha entre lo que tenemos en mente y lo que tenemos en nuestras manos nunca ha sido tan pequeña. Piense en los ahorros de costos, la reducción de mano de obra, el empoderamiento potencial de las comunidades rurales. Las recompensas son tentadoras. Pero, por desgracia, la tecnología aún no funciona como debería.

Dónde están las cosas

La fabricación aditiva de metales casi ha alcanzado el estatus de corriente principal en la industria. Si bien la tecnología aún es difícil de predecir, ahora se espera que una planta de fabricación bien equipada tenga alguna capacidad AM, que luego se relega rápidamente a aplicaciones de nicho. Esta imprevisibilidad se debe principalmente a la fusión y solidificación repetidas del metal, que es la forma en que el metal se fusiona en la mayoría de los procesos de fabricación aditiva. Este calentamiento y enfriamiento repetido del metal introduce una serie de comportamientos impredecibles; la pieza podría deformarse o incluso fracturarse debido a su frecuente expansión y contracción. Incluso cuando una pieza se construye con éxito con la forma y el tamaño correctos, podría tener propiedades mecánicas diferentes a las que se fabrican mediante la fabricación sustractiva convencional; podría ser más quebradizo de lo esperado, o más elástico. En muchas aplicaciones, esto es inaceptable.

Entonces, ¿cómo superan los fabricantes estas complicaciones? Bueno, la forma más fácil de evitar la imprevisibilidad de AM es simplemente intentar ver. Sin embargo, el enfoque de prueba y error puede llevar días y costar decenas de miles de euros por una sola pieza. En el feroz mundo de la fabricación industrial, este enfoque seductor e intuitivo es simplemente demasiado costoso.

Cuando el ensayo y error no es suficiente, los ingenieros a menudo recurren a modelos numéricos. En resumen, un modelo numérico es un conjunto de ecuaciones matemáticas que predice cómo se comportará un sistema al resolver las ecuaciones físicas relevantes. ¿Alguna vez ha calculado cuánto tiempo le llevará llegar a algún lugar, sabiendo qué tan lejos está su destino y qué tan rápido espera conducir? Eso es básicamente un pequeño modelo numérico que estás resolviendo en tu cabeza. Los ingenieros utilizan el modelado numérico para una gran cantidad de aplicaciones, desde predecir el resultado de una colisión de vehículos hasta optimizar el diseño interior de una aeronave. El modelado numérico se puede aplicar a AM para predecir problemas antes de que sucedan.

Los modelos numéricos, como The Magics 23 que se muestra aquí, ayudan a los fabricantes a predecir resultados de AM no deseados y planificarlos con anticipación. (Imagen cortesía de Materialise).

Limitaciones computacionales

Sin embargo, AM presenta desafíos únicos para los modelos numéricos. A diferencia de una colisión frontal, la AM consiste en múltiples fenómenos físicos altamente sofisticados que ocurren casi simultáneamente, en varios órdenes de magnitud. En el momento en que un láser entra en contacto con el polvo metálico, la superficie del polvo comienza a derretirse de inmediato, lo que hace que sus propiedades térmicas y físicas cambien rápidamente. El metal fundido se comporta como un líquido espeso y puede fluir, a escala microscópica, en respuesta a cambios de temperatura y tensión superficial en su interior (esto se conoce como efecto Marangoni). A medida que el láser viaja a través del polvo, el charco derretido lo sigue mientras partes comienzan a enfriarse y finalmente se fusionan para formar un sólido. Más tarde, cuando se haya depositado otra capa de polvo encima, este sólido fundido se recalentará a medida que se derrita el polvo de cabeza. En algunos casos, el sólido fundido se vuelve a fundir.

Simplemente no tenemos el poder computacional para modelar todos estos fenómenos a la vez. En otras palabras, nuestras computadoras no son lo suficientemente poderosas para simular un proceso que dura horas analizando cada microsegundo. Incluso las supercomputadoras se estremecen ante la idea. Para superar estas limitaciones computacionales, los ingenieros utilizan relaciones empíricas. Las relaciones empíricas son correlaciones que se han observado a través de la experimentación pero que no necesariamente están respaldadas por la teoría. En lugar de intentar modelar cada microevento, los ingenieros prefieren agrupar su efecto en constantes empíricas. Un gran ejemplo de esto es el uso del término «penetración láser».

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