La deposición de metales por láser ( LMD ) es un proceso de fabricación aditiva en el que un material de materia prima (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 LMD suele ser un proceso basado en fusión, esto no es un requisito, como se analiza a continuación. Los procesos basados en fusión suelen tener una ventaja de resistencia, debido a que logran una fusión metalúrgica completa.
Los sinónimos incluyen la formación de polvo por láser y la conformación de red patentada con ingeniería láser , tecnologías de fabricación aditiva desarrolladas para fabricar piezas metálicas directamente a partir de un modelo sólido de diseño asistido por computadora (CAD) mediante el uso de un polvo metálico inyectado en un baño fundido creado por un concentrador de alta precisión. rayo láser potenciado . El proceso también puede producir piezas con forma "casi" neta cuando no es posible fabricar un artículo con especificaciones exactas. En estos casos , se pueden aplicar procesos de posproducción como mecanizado ligero , acabado de superficies o tratamiento térmico para lograr el cumplimiento final. Otras técnicas registradas incluyen la deposición directa de metal (DMD) y la consolidación por 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 por qué 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. Dado que 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 las 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 entregan de diferentes maneras y en diferentes ubicaciones.
La técnica LMD más sencilla consiste en polvos colocados previamente. Se coloca una materia prima en polvo sobre la superficie o un sustrato y luego se escanea o rastra un láser enfocado sobre ella, lo que hace que la materia prima se derrita y se fusione con el sustrato. Normalmente se utiliza un gas protector 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 fusión selectiva por láser dentro de un lecho de polvo.
En los LMD convencionales alimentados con polvo, se utilizan una boquilla o 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 pulveriza fuera de 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, sigue el charco de fusión, solidificándose el material en la ubicación anterior. Este proceso generalmente se logra 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 en línea, según la aplicación de destino. En cuanto al LMD colocado en pólvora, normalmente se utiliza un gas protector para minimizar la oxidación. El gas portador utilizado para suministrar el polvo también suele ser un gas protector. El proceso LMD se puede utilizar de muchas maneras, como escaneando sobre una superficie amplia para crear 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. Para LMD de alta velocidad, el punto focal se encuentra encima del sustrato. [9] [10] A medida que se pulveriza el polvo a través del punto focal, la mayor parte de la energía del láser es absorbida por el polvo, donde se funde durante el vuelo. Esto da como resultado que la materia prima de polvo fundido impacte el sustrato, donde el calor se transfiere del polvo al sustrato. Por lo general, esto 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 (generalmente < 0,5 mm por pasada [11] ) con una dilución menor y una capa más delgada afectada por el calor. zona 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 velocidad 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. [dieciséis]
De manera similar a los procesos de soldadura , el LMD se puede realizar utilizando un alambre metálico como materia prima. [1] [2] Esto puede ser una ventaja, ya que evita el costo y el esfuerzo necesarios para producir una materia prima en polvo .
El LMD supersónico se diferencia de otros procesos LMD en que el láser no se utiliza para fundir materiales. En cambio, se trata principalmente de un proceso de pulverización en frío modificado , que es un tipo de proceso de deposición de estado sólido que implica la deposición a través de una columna de polvo de chorro supersónico . En Supersonic LMD 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 operar a una temperatura más baja, esto reduce la posibilidad de que se produzca oxidación de la materia prima y los materiales del sustrato. [18]