La deposición de metal por láser ( LMD ) es un proceso de fabricación aditiva en el que un material de partida (normalmente un polvo ) se funde con un láser y luego se deposita sobre un sustrato. [1] Se puede utilizar una variedad de metales puros y aleaciones como materia prima, así como materiales compuestos como compuestos de matriz metálica . [2] [3] Se pueden utilizar fuentes láser con una amplia variedad de intensidades , longitudes de onda y configuraciones ópticas. Si bien la LMD es normalmente un proceso basado en la fusión, esto no es un requisito, como se analiza a continuación. Los procesos basados en la fusión suelen tener una ventaja de resistencia, debido a que logran una fusión metalúrgica completa.
Los sinónimos incluyen el formado de polvo láser y el moldeado de red diseñado por láser patentado , tecnologías de fabricación aditiva desarrolladas para fabricar piezas de metal directamente a partir de un modelo sólido de diseño asistido por computadora (CAD) mediante el uso de un polvo de metal inyectado en un baño fundido creado por un rayo láser enfocado de alta potencia . El proceso también puede producir piezas de forma "casi" neta cuando no es posible fabricar un artículo con especificaciones exactas. En estos casos, se pueden aplicar procesos de posproducción como el mecanizado ligero , el acabado de superficies o el tratamiento térmico para lograr la conformidad final. Otras técnicas registradas incluyen la deposición directa de metal (DMD) y la consolidación láser (LC). En comparación con los procesos que utilizan lechos de polvo, como la fusión selectiva por láser (SLM), los objetos creados con esta tecnología pueden ser sustancialmente más grandes, incluso de varios pies de largo. [4]
Al igual que con la fusión selectiva por láser , la potencia del láser no tiene que ser especialmente alta siempre que la energía del láser esté suficientemente concentrada. La tasa alcanzable de adición de material depende tanto de la cantidad de potencia del láser aplicada como del calor de fusión de la materia prima y los materiales del sustrato. Como diferentes materiales absorben diferentes longitudes de onda de luz, es importante que la longitud de onda de la fuente láser coincida adecuadamente con el espectro de absorción del material , para garantizar que se maximice la cantidad de energía absorbida por el material. Por ejemplo, el uso de LMD para depositar acero se realiza de manera eficiente utilizando fuentes láser IR, mientras que para aleaciones a base de cobre, los láseres verdes tienen una mejor absorción. [5]
Existen varios procesos LMD diferentes, en los que tanto la materia prima como la energía láser se suministran de diferentes maneras y en diferentes ubicaciones.
La técnica LMD más simple implica la colocación previa de polvos. Se coloca una materia prima en polvo sobre la superficie o un sustrato y luego se escanea o se pasa un láser enfocado sobre ella, lo que hace que la materia prima se derrita y se fusione con el sustrato. Por lo general, se utiliza un gas de protección inerte para reducir la oxidación alrededor de la zona de fusión. Este proceso es similar a la fusión selectiva por láser , que implica un proceso sistemático capa por capa para construir un objeto mediante la fusión selectiva por láser dentro de un lecho de polvo.
En el LMD convencional alimentado con polvo, se utilizan una o varias boquillas de polvo , junto con una fuente láser enfocada. El láser se enfoca sobre el sustrato para formar un baño de fusión. Simultáneamente, el polvo se rocía desde la boquilla como una columna de chorro de polvo, dirigiendo el material hacia el baño de fusión, donde se funde. A medida que la fuente láser se aleja, el baño de fusión la sigue, y el material en la ubicación anterior se solidifica. Este proceso se logra típicamente utilizando un cabezal de revestimiento láser , que integra las boquillas de polvo y la óptica láser en un conjunto, con ambos enfocados en una única ubicación objetivo. El tamaño y el área del baño de fusión y la columna de polvo pueden variar ampliamente, y pueden adoptar configuraciones puntuales o lineales, según la aplicación objetivo. En cuanto al LMD con polvo colocado, generalmente se utiliza un gas de protección para minimizar la oxidación. El gas portador utilizado para entregar el polvo también es típicamente un gas de protección. El proceso LMD se puede utilizar de muchas maneras, como escaneando sobre una superficie amplia para construir una capa delgada ( <1 mm ) (normalmente llamada revestimiento láser [6] [7] ) o rasterizando sobre un área particular como un proceso de fabricación aditiva para construir objetos en 3D capa por capa (a veces denominado deposición de energía dirigida ).
El LMD de alta velocidad (también conocido como EHLA [8] ) se diferencia del LMD convencional en el punto focal del láser y en la velocidad del proceso de revestimiento. En el LMD de alta velocidad, el punto focal se encuentra por encima del sustrato. [9] [10] A medida que el polvo se pulveriza a través del punto focal, la mayor parte de la energía del láser es absorbida por el polvo, donde se funde en vuelo. Esto da como resultado que la materia prima de polvo fundido impacte el sustrato, donde el calor se transfiere del polvo al sustrato. Esto normalmente da como resultado que se transfiera una porción menor de energía térmica al sustrato y, como resultado, el LMD de alta velocidad produce un depósito de cordón de soldadura más delgado (normalmente < 0,5 mm por pasada [11] ) con menor dilución y una zona afectada por el calor más delgada en comparación con el LMD convencional. [12] La velocidad de deposición (la velocidad de la ubicación de la masa fundida en la superficie del sustrato) suele ser al menos 10 veces mayor que la velocidad del LMD convencional, y la tasa de solidificación del material también es más rápida. [5] El efecto típico de estas diferencias, en comparación con el LMD convencional, es un depósito con un acabado superficial más suave, una microestructura de grano más fino, [13] una resistencia a la corrosión mejorada, [14] y una mayor dureza. [15] Tanto los recubrimientos 2D como la fabricación aditiva 3D también son posibles utilizando LMD de alta velocidad. [16]
De manera similar a los procesos de soldadura , la LMD se puede realizar utilizando un alambre de metal como materia prima. [1] [2] Esto puede ser una ventaja, ya que evita el costo y el esfuerzo necesarios para producir un polvo de materia prima .
El proceso de deposición láser supersónica se diferencia de otros procesos de deposición láser en que no se utiliza un láser para fundir materiales, sino que se trata principalmente de un proceso de pulverización en frío modificado , que es un tipo de proceso de deposición en estado sólido que implica la deposición mediante una columna de polvo supersónica . En el proceso de deposición láser supersónica se utiliza un láser para precalentar el sustrato y la corriente de polvo, con el fin de ablandar estos materiales. [17] Al evitar la fusión y al operar a una temperatura más baja, se reduce la posibilidad de que se produzca oxidación de la materia prima y de los materiales del sustrato. [18]