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Introducción al artículo
La fabricación aditiva por láser a menudo da como resultado granos gruesos debido a los altos gradientes de temperatura. La asistencia ultrasónica de tipo contacto- tradicional puede refinar los granos, pero enfrenta dos desafíos principales: primero, la energía ultrasónica disminuye a medida que aumenta la altura de impresión, lo que genera granos gruesos en la parte superior de los componentes grandes; en segundo lugar, el ultrasonido de alta-intensidad puede inducir efectos de cavitación que crean fácilmente defectos en los poros.
Un equipo de investigación de la Universidad Politécnica Northwestern propuso una tecnología ultrasónica sin-contacto, integrando el dispositivo ultrasónico con la boquilla e introduciendo ultrasonido a través de un medio de aire. Este método rompe la creencia tradicional de que "el refinamiento del grano debe depender de la cavitación", utilizando efectos de transmisión acústica pura para lograr estructuras de grano fino equiaxial uniformemente densas en toda la altura de muestras grandes de Inconel 718 y 316L, mejorando significativamente la resistencia y abordando el desafío de la industria de las microestructuras desiguales en componentes grandes.
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Descripción general
Este estudio tiene como objetivo abordar los obstáculos de la microestructura desigual y la susceptibilidad a defectos en la fabricación aditiva asistida por ultrasonido-. El equipo de investigación desarrolló un sistema ultrasónico sin-contacto que se mueve con el cabezal láser, lo que garantiza que el baño de fusión reciba una entrada de energía constante por debajo del umbral de cavitación.
Los experimentos muestran que el ultrasonido de contacto tradicional falla cuando la altura de impresión supera los 15 mm, mientras que la nueva tecnología mantiene granos finos uniformes dentro de una altura de 100 mm, sin defectos de cavitación. Los estudios mecanicistas indican que los ultrasonidos de baja-intensidad inducen un flujo oscilatorio de alta-frecuencia (corriente acústica) en el charco de fusión, lo que provoca que los brazos dendríticos en crecimiento sufran fracturas por fatiga y formen nuevos núcleos, refinando así los granos. Este descubrimiento corrige la comprensión unilateral de la comunidad académica-sobre el mecanismo de refinamiento de granos por ultrasonido y proporciona un nuevo enfoque universal y confiable para la fabricación de aditivos metálicos de alto-rendimiento.
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Análisis ilustrado
La Figura 1 proporciona una comparación directa de los dos enfoques técnicos. La Figura (a) muestra el modo sin contacto-propuesto en este estudio, donde el transductor ultrasónico se mueve con la boquilla para asegurar una entrada de energía constante; La figura (b) muestra el modo de contacto tradicional, donde el ultrasonido se transmite a través del sustrato. A partir de los resultados de EBSD de muestras de gran-tamaño (f-h), se puede ver que el método de contacto (h) falla en la parte superior de la muestra, con los granos engrosándose hasta formar estructuras columnares; mientras que el método sin contacto (f) mantiene granos finos y equiaxiales uniformes en toda la altura de 100 mm. Además, los datos de rendimiento mecánico en las figuras (i-k) indican que el método sin contacto (LU) no solo mejora significativamente la resistencia sino que también muestra una dispersión de datos muy baja, lo que demuestra la alta confiabilidad del proceso.
La Figura 2 destaca las ventajas del ultrasonido de baja-intensidad en el control de defectos. La morfología del revestimiento de una sola-pista en la Figura (a-i) muestra que a medida que la intensidad del ultrasonido aumenta a un rango alto, las pistas fundidas exhiben abultamientos severos, picaduras e incluso discontinuidades (i), que son causadas por el colapso violento de las burbujas de cavitación. Por el contrario, las pistas fundidas tratadas con ultrasonido de baja-intensidad (b-e) tienen superficies lisas y continuas, comparables al estado sin ultrasonido. Los resultados de la tomografía computarizada (k-p) cuantifican aún más la porosidad; El ultrasonido de alta-intensidad provoca un aumento de la porosidad, mientras que el ultrasonido de baja-intensidad utilizado en este estudio apenas aumenta la porosidad, lo que garantiza una alta densidad de las piezas impresas.
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Resumen
1. Propuso y aplicó con éxito una tecnología de fabricación aditiva con láser asistida por ultrasonidos de baja-intensidad-sin contacto, evitando de manera efectiva los dos problemas principales de las técnicas ultrasónicas de contacto tradicionales de alta-intensidad-microestructura desigual y defectos internos-al fabricar piezas metálicas grandes;
2. A través de la investigación mecanicista, se corrigió la comprensión unilateral tradicional-en el mundo académico con respecto a los mecanismos de refinamiento de granos ultrasónicos, demostrando el efecto de transmisión acústica pura, donde los flujos oscilantes de alta-frecuencia inducen la fractura por fatiga de las dendritas, logrando un refinamiento y una homogeneización de granos significativos;
3. Esta tecnología proporciona una solución general de alto-rendimiento y altamente consistente para la fabricación aditiva de diversos metales como Inconel 718 y 316L;
4. Los resultados de la investigación no sólo son valiosos en la práctica en el campo de la fabricación aditiva, sino que también proporcionan importantes fundamentos teóricos y orientación de proceso para otras tecnologías de procesamiento que implican la solidificación en baño fundido, como la soldadura y el revestimiento.
