Fabricación aditiva de metales y necesidad de datos fiables sobre propiedades termofísicas

En los últimos años, la fabricación aditiva (AM), también conocida como impresión 3D, ha surgido como una tecnología prometedora para la fabricación rentable de componentes de forma casi neta en los sectores de la automoción, la electrónica, la biomedicina, la construcción, el aeroespacial y la alimentación. En artículos anteriores, nos hemos centrado en determinar la ventana de proceso y estudiar el comportamiento de cristalización isotérmica de polvos de poliamida (PA) 12 utilizando en Sinterizado Selectivo por Láser.

¿Qué materiales son adecuados para la SLM?

El proceso SLM se ha utilizado para la fabricación aditiva de aleaciones, entre las que se incluyen el acero inoxidable, el acero para herramientas, el titanio, el aluminio, el cobalto-cromo, el tungsteno y las superaleaciones a base de níquel. Algunas aleaciones tienen una aplicabilidad limitada a la SLM debido a su alta reflectividad, por su reactividad al oxígeno, absortividad, humectación y propiedades térmicas.

Las cerámicas, como la alúmina, la circonia y el carburo de silicio, se han fabricado de forma aditiva mediante el proceso de SLM; sin embargo, la SLM de cerámicas suele plantear más problemas debido a su naturaleza quebradiza y a su Conductividad térmicaLa conductividad térmica (λ con la unidad W/(m-K)) describe el transporte de energía -en forma de calor- a través de un cuerpo de masa como resultado de un gradiente de temperatura (véase la fig. 1). Según la segunda ley de la termodinámica, el calor siempre fluye en la dirección de la temperatura más baja.conductividad térmica relativamente baja.

Optimización de los parámetros de entrada de AM para mejorar la calidad del producto

A pesar de los recientes avances en el proceso de SLM, problemas como el sobrecalentamiento o el subcalentamiento, así como el alabeo, pueden seguir causando problemas en la calidad del producto final. Se están realizando esfuerzos para comprender mejor las distribuciones de temperatura y las cargas térmicas durante el proceso de SLM, de modo que puedan optimizarse los parámetros del proceso y, en última instancia, la calidad de la pieza final. Las simulaciones termomecánicas, como el análisis de elementos finitos (FEA), han proporcionado un medio para la creación de prototipos virtuales y son cada vez más importantes a medida que los fabricantes optimizan los parámetros del proceso de SLM y las geometrías de la estructura de soporte para diferentes materiales.

La conductividad térmica influye en los parámetros del proceso SLM

Una simulación termomecánica SLM representativa requiere datos precisos de Conductividad térmicaLa conductividad térmica (λ con la unidad W/(m-K)) describe el transporte de energía -en forma de calor- a través de un cuerpo de masa como resultado de un gradiente de temperatura (véase la fig. 1). Según la segunda ley de la termodinámica, el calor siempre fluye en la dirección de la temperatura más baja.conductividad térmica en función de la temperatura del lecho de polvo y de la pieza solidificada. El NETZSCH LFA 467 HT HyperFlash es muy adecuado para medir la Conductividad térmicaLa conductividad térmica (λ con la unidad W/(m-K)) describe el transporte de energía -en forma de calor- a través de un cuerpo de masa como resultado de un gradiente de temperatura (véase la fig. 1). Según la segunda ley de la termodinámica, el calor siempre fluye en la dirección de la temperatura más baja.conductividad térmica de los polvos de alimentación de SLM, así como de las piezas impresas SLM acabadas hasta 1250°C. La corrección de la DensidadLa densidad de masa se define como la relación entre la masa y el volumen. densidad dependiente de la temperatura (ρ) puede medirse rutinariamente utilizando un dilatómetro NETZSCH DIL 402 Expedis Classic y la Capacidad calorífica específica (cp)La capacidad calorífica es una magnitud física específica de un material, determinada por la cantidad de calor suministrada a la probeta, dividida por el aumento de temperatura resultante. La capacidad calorífica específica está relacionada con una unidad de masa de la muestra.capacidad calorífica específica (_{Capacidad calorífica específica (cp)La capacidad calorífica es una magnitud física específica de un material, determinada por la cantidad de calor suministrada a la probeta, dividida por el aumento de temperatura resultante. La capacidad calorífica específica está relacionada con una unidad de masa de la muestra.cp}) en el rango de altas temperaturas se mide utilizando un NETZSCH DSC (por ejemplo, 404 F1 Pegasus^®). Todas las mediciones deben realizarse en el mismo intervalo de temperatura.

Ejemplo de aplicación: Conductividad térmica del polvo de acero inoxidable austenítico

En el siguiente ejemplo de aplicación, se utilizó el método flash (LFA) para medir la Difusividad térmicaLa difusividad térmica (a con la unidad mm2/s) es una propiedad específica de los materiales para caracterizar la conducción de calor inestable. Este valor describe la rapidez con la que un material reacciona a un cambio de temperatura.difusividad térmica del polvo de acero inoxidable austenítico desde temperatura ambiente hasta 1000°C.

Como puede verse en la figura 3, la Difusividad térmicaLa difusividad térmica (a con la unidad mm2/s) es una propiedad específica de los materiales para caracterizar la conducción de calor inestable. Este valor describe la rapidez con la que un material reacciona a un cambio de temperatura.difusividad térmica y la Conductividad térmicaLa conductividad térmica (λ con la unidad W/(m-K)) describe el transporte de energía -en forma de calor- a través de un cuerpo de masa como resultado de un gradiente de temperatura (véase la fig. 1). Según la segunda ley de la termodinámica, el calor siempre fluye en la dirección de la temperatura más baja.conductividad térmica siguen la misma tendencia. Debido a las diferentes etapas de SinterizaciónLa sinterización es un proceso de producción para formar un cuerpo mecánicamente resistente a partir de un polvo cerámico o metálico. sinterización, ambas aumentan significativamente. Por supuesto, el aumento de la Conductividad térmicaLa conductividad térmica (λ con la unidad W/(m-K)) describe el transporte de energía -en forma de calor- a través de un cuerpo de masa como resultado de un gradiente de temperatura (véase la fig. 1). Según la segunda ley de la termodinámica, el calor siempre fluye en la dirección de la temperatura más baja.conductividad térmica se ve influido por el cambio en la Difusividad térmicaLa difusividad térmica (a con la unidad mm2/s) es una propiedad específica de los materiales para caracterizar la conducción de calor inestable. Este valor describe la rapidez con la que un material reacciona a un cambio de temperatura.difusividad térmica y el aumento de la DensidadLa densidad de masa se define como la relación entre la masa y el volumen. densidad del lecho de polvo por encima de 500°C. El aumento de la Conductividad térmicaLa conductividad térmica (λ con la unidad W/(m-K)) describe el transporte de energía -en forma de calor- a través de un cuerpo de masa como resultado de un gradiente de temperatura (véase la fig. 1). Según la segunda ley de la termodinámica, el calor siempre fluye en la dirección de la temperatura más baja.conductividad térmica debido a la densificación del lecho de polvo debe tenerse en cuenta a la hora de seleccionar los parámetros de entrada adecuados de la SLM para garantizar una calidad óptima del producto. Además, ésta es una de las razones por las que la investigación se ha centrado en adaptar los parámetros capa por capa o incluso en regiones específicas durante la construcción.

Referencias

1. Yap, C. Y., Chua, C. K., Dong, Z. L., Liu, Z. H., Zhang, D. Q., Loh, L. E., & Sing, S. L. (01 de diciembre de 2015). Revisión de la fusión selectiva por láser: Materiales y aplicaciones. Applied Physics Reviews, 2, 4, 41101. \
2. Chua, C. K., Wong, C. H., & Yeong, W. Y. (2017). Normas, control de calidad y ciencias de la medición en impresión 3D y fabricación aditiva.
3. Luo, C., Qiu, J., Yan, Y., Tang, X., Yang, J., & Uher, C. (2018). Análisis de elementos finitos de los campos de temperatura y tensión durante el proceso de fusión selectiva por láser de SnTe termoeléctrico. Revista de tecnología de procesamiento de materiales, 261, 74-85.