Descripción general del papel
1. Introducción
En la fabricación aditiva (AM), los láseres de pulso ultracorto (USP) permiten el procesamiento de una amplia gama de materiales y ofrecen potencial para reducir las dimensiones y la complejidad de los componentes fabricados. Este estudio demuestra la viabilidad de utilizar láseres USP como alternativa a los sistemas Laser Powder Bed Fusion (LPBF), particularmente para la fabricación de piezas críticas que requieren mayor precisión. Utilizando partículas de polvo de acero inoxidable-de producción propia y personalizadas-, los investigadores lograron los resultados deseados y fabricaron con éxito capas cuadradas consistentes optimizando una serie de parámetros de procesamiento.
El estudio confirma que los parámetros del proceso desempeñan un papel fundamental cuando se utilizan láseres USP - incluso desviaciones menores en estos parámetros pueden provocar una fusión incompleta. Al reducir la velocidad de escaneo para promover la acumulación de calor, se logró la fusión a frecuencias de repetición de pulso bajas (500 kHz) y potencias láser promedio bajas (0,5 a 1 W). Este enfoque ofrece la posibilidad de minimizar aún más el tamaño de las piezas, lo cual es importante para avanzar en la fabricación aditiva utilizando fuentes láser USP.
2. Resumen del estudio
Con el continuo desarrollo de la fabricación aditiva, los láseres de femtosegundo muestran un potencial prometedor para procesar acero inoxidable 316L. Este artículo resume y revisa un estudio sobre la influencia de los parámetros del proceso en el procesamiento con láser de femtosegundo de acero inoxidable 316L. El objetivo principal de la investigación es investigar cómo la potencia del láser, el tamaño de las partículas de polvo, la velocidad de escaneo y la distancia de eclosión afectan la calidad del procesamiento y el rendimiento del material, con el fin de optimizar las condiciones de fabricación.
Los investigadores primero presentaron las características y la idoneidad del acero inoxidable 316L y luego detallaron el principio de funcionamiento y los mecanismos del procesamiento con láser de femtosegundo. Posteriormente, se centraron en cómo los parámetros clave -, incluida la potencia del láser, el tamaño de las partículas, la velocidad de escaneo y la distancia de eclosión -, influyen en la calidad del material.
A través de estudios experimentales, el equipo identificó un rango óptimo de potencia del láser para evitar una ablación excesiva y daños materiales. También descubrieron que las partículas de polvo más finas conducen a un mejor control del baño de fusión y a una mayor precisión de formación. Además, se demostró que los ajustes en la velocidad de escaneo y la distancia de eclosión reducen los defectos de la superficie y la porosidad, mejorando tanto la calidad como la eficiencia.
Por último, el estudio analiza las perspectivas de aplicación de los láseres de femtosegundo en la fabricación de acero inoxidable 316L, destacando los desafíos actuales y las futuras direcciones de investigación.
3. Análisis experimental y cifras.
3.1 Principio del láser USP
Los láseres de pulso ultracorto (USP) generan duraciones de pulso extremadamente cortas, generalmente en el rango de femtosegundos (10⁻¹⁵ s) a picosegundos (10⁻¹² s). Estos láseres se basan en efectos ópticos no lineales y ópticas ultrarrápidas.
El componente central de un láser USP es la cavidad resonante, que contiene un medio láser (por ejemplo, Nd:YAG o Ti:cristal de zafiro) y una fuente de ganancia (como diodos láser o lámparas de flash). El proceso de amplificación se produce mediante emisión estimulada, donde los fotones se reflejan repetidamente entre los espejos de la cavidad y se amplifican, formando finalmente un potente haz de salida.
Los láseres USP logran duraciones de pulso ultracortas aprovechando efectos ópticos no lineales como la automodulación de fase y la refracción no lineal. Los elementos ópticos, como los cristales o fibras que duplican la frecuencia-, ayudan a ampliar y comprimir el espectro del pulso, alcanzando duraciones del pulso en el rango de femtosegundos.
Figura 1: Evolución de la temperatura con diferentes potencias del láser
La Figura 1 ilustra cómo cambia la temperatura con diferentes potencias del láser.
Alta potencia (curva roja):La temperatura excede los umbrales de fusión y ablación.
Baja potencia (curva verde):Temperatura insuficiente para fundir.
Potencia óptima (curva azul):Permite fundir sin ablación.
Figura 2: Imágenes SEM de polvos gruesos y finos
Ceit desarrolló polvos metálicos atomizados con gas-personalizados para fabricación aditiva. Se utilizaron dos tipos de polvo:
Polvo grueso (20–45 µm)
Polvo fino (<20 µm)
Los polvos finos lograron un mejor control de la fusión y uniformidad de capa.
Figura 3 – Proceso de deposición de la primera capa
Para mejorar la adhesión del polvo, primero se trató el sustrato-con láser para aumentar la rugosidad de la superficie. El análisis perfilométrico mostró una rugosidad superficial (Sa) de 3,3 µm y una profundidad de 51,499 µm. Luego se aplicaron capas mediante el método de cuchilla, logrando un espesor uniforme:
Polvo grueso: capas de 100 a 200 µm
Polvo fino: capas de 50 µm
Figura 4 – Efecto de potencia en el procesamiento de polvo grueso
El uso de láseres USP en AM presenta un desafío: fundir el polvo sin provocar ablación. El exceso de potencia provoca la expulsión de partículas o daños al sustrato. Reducir la potencia del láser por debajo del umbral de ablación da como resultado una fusión exitosa.
A potencias inferiores a 0,5 W, el polvo fino no se ve afectado, mientras que por encima de este umbral, las partículas se funden y se fusionan formando esferas más grandes.
Figura 5 – Variación de potencia en polvos finos
El aumento de potencia de 0,59 W a 0,765 W mejoró la fusión, produciendo superficies más suaves y uniformes. La rugosidad de la superficie (Sa) disminuyó de 3,45 µm a 2,58 µm.
Figura 6 – Efecto de la velocidad de escaneo
A 0,674 W y 10 µm de distancia de sombreado:
La reducción de la velocidad de escaneo de 5 mm/s a 2,5 mm/s aumentó la acumulación de calor y la coalescencia de partículas, agrandando los grupos y elevando Sa de 5,43 µm a 6,75 µm.
A 0,765 W, un escaneo más lento produjo resultados más suaves (Sa ≈ 3,9–4,1 µm).
Figura 7 – Efecto combinado de potencia y velocidad
En niveles de potencia más altos (0,85 a 0,935 W) y velocidades de escaneo de hasta 2,5 mm/s, Sa disminuyó aún más a 3,5 a 3,8 µm. Por debajo de 1,5 mm/s, el sobrecalentamiento provocaba la rotura de la pólvora y quemaduras.
Figura 8 – Reducción de la distancia de sombreado
La reducción de la distancia de sombreado de 7 µm a 5 µm mejoró significativamente la calidad de la superficie. - Sa cayó de 6,75 µm a 4,1 µm. Las distancias excesivamente grandes condujeron a una fusión desigual y a la formación de defectos.
Figura 9 – Influencia de la distancia de sombreado
Dentro de las ventanas óptimas de potencia y velocidad, la reducción de la distancia de eclosión mejoró consistentemente la uniformidad de la superficie, logrando Sa tan bajo como 2–3 µm. Fueron necesarios ajustes en la velocidad para equilibrar la acumulación de calor.
Figura 10 – Parámetros óptimos del proceso
La mejor condición de procesamiento logró una superficie fundida altamente uniforme con una Sa de 2,37 µm usando:
Potencia del láser:0.775 W
Velocidad de escaneo:2,5 mm/s
Distancia de eclosión:7.5 µm
4. Conclusión
Para evaluar el potencial de los láseres USP en la fabricación aditiva, se integraron láseres de femtosegundos en el proceso LPBF utilizando dos tipos de polvos de acero inoxidable-. El estudio concluye quepotencia del láserEs el factor más crítico: - la potencia excesiva provoca la ablación, mientras que una cantidad insuficiente evita la fusión.
Una vez que se estableció una ventana de potencia óptima (0,775–0,935 W),-ajustar la velocidad de escaneo y la distancia de eclosión mejoró aún más la suavidad de la superficie. Los mejores resultados se lograron en:
Fuerza: 0.775–0.935 W
Velocidad de escaneo:2,5 mm/s
Distancia de eclosión: 5–7.5 µm
Bajo estos parámetros optimizados, se logró una fusión uniforme y una rugosidad superficial mínima, lo que confirma la viabilidad de los láseres USP para la fabricación aditiva de alta-precisión de componentes a micro-escala.
