Fabricación aditiva de materiales de cobre utilizando láser selectivo fusionando con luz verde

Una innovación en el campo de la fabricación aditiva hará su debut del 14 al 17 de noviembre en la ciudad de Frankfurt, en Alemania: el Instituto Fraunhofer de Tecnología Láser ILT de Aquisgrán presentará un nuevo enfoque para la fusión selectiva de materiales de cobre. En el futuro, debería ofrecer a los usuarios el primer método rentable para componentes de impresión en 3D de cobre puro y altamente conductor.

La fusión selectiva de láser (SLM), también conocida como fusión por haz láser (LBM) o fusion láser en polvo (L-PBF) es un proceso de fabricación aditiva en polvo ya establecida en varios sectores, como la tecnología médica, fabricación de maquinaria turbo, ingeniería aeroespacial y automotriz. En la actualidad, se utiliza principalmente para procesar aceros, titanio y aleaciones de aluminio, así como aleaciones de níquel y cobalto. Los investigadores del Instituto Fraunhofer ILT de Aquisgrán ahora siguen desarrollando SLM como parte de un proyecto de investigación financiado por AiF Federación Alemana de Asociaciones de Investigación Industrial. Su objetivo es hacerla más adecuada para la fabricación aditiva de componentes hechos de aleaciones de cobre y cobre puro. Esta última es una opción atractiva para los usuarios finales, ya que es más conductiva eléctrica y térmica que las aleaciones de cobre. Por lo tanto, una fuente de rayos láser especialmente desarrollada que funciona con luz verde en lugar de luz infrarroja se diseñará en el Fraunhofer ILT a finales de 2017.

“Dependiendo de las propiedades de la superficie, el cobre puro refleja hasta 90% de la radiación láser en longitudes de onda convencionalmente usadas de 1 µm”, explica Daniel Heußen, investigador del grupo Rapid Manufacturing.

Como resultado, sólo una pequeña porción de la energía láser se deposita en el material y, por lo tanto, está disponible para el proceso de fusión. La radiación reflejada también puede dañar los componentes del sistema. Además, la capacidad de absorción del material para la luz infrarroja aumenta rápidamente a medida que el material pasa de un estado sólido a un estado líquido, desencadenando así un proceso de refundición intermitente e inestable.

Utilizando luz láser verde con una longitud de onda de 515 nm, la absortividad del cobre puro es mucho mayor. Esto significa que se necesita menos potencia de salida láser para un proceso estable. Además, el haz de láser se puede enfocar con mayor precisión, lo que le permite fabricar componentes mucho más delicados utilizando el nuevo proceso SLM. Según Heußen: “Esperamos una dinámica de masa de fusión más homogénea para que podamos construir componentes con alta densidad de material y lograr otros efectos positivos, como una mayor resolución de detalle”.

El departamento de desarrollo de fuentes de rayos láser en Fraunhofer ILT está construyendo su propio proyecto en un proyecto que llaman ‘SLM in green’. El objetivo es crear una fuente láser ‘verde’ en el mercado que cumpla las condiciones límite del proceso SLM. Un láser de alta calidad para el funcionamiento monomodo que funciona con una potencia máxima de 400 vatios en servicio continuo (cw) con longitud de onda verde (515 nm). Se espera que un laboratorio de ‘SLM en verde’ esté listo para finales de 2017. Posteriormente, el Fraunhofer ILT desarrollará aún más sus procesos como parte del proyecto de investigación financiado por el AiF.

La principal meta futura es crear un proceso confiable con el que los usuarios industriales 3D puedan imprimir geometrías complejas de cobre puro con estructuras huecas y socavados. El proceso se puede utilizar para intercambiadores de calor y disipadores de calor altamente eficientes o para la producción de componentes eléctricos delicados y complejos en pequeños lotes. Heussen explica: “Los inductores para el tratamiento térmico inductivo en la producción industrial son excelentes vitrinas para la fabricación de aditivos. En su mayoría se producen en pequeños números con un alto nivel de complejidad y una amplia gama de variantes diferentes”.

‘SLM in green’: el nuevo proceso debe permitir la impresión 3D de componentes de cobre puro. Foto: Fraunhofer ILT.

En el campo del diseño de joyería, ‘SLM en verde’ podría ofrecer un proceso mucho más eficiente y reproducible para la fabricación de estructuras complejas que las técnicas convencionales. En comparación con otros métodos aditivos como la fusión de haz de electrones (EBM), los científicos esperan una resolución de detalle notablemente mayor, así como una mayor eficiencia de costes en la producción. El láser verde debe ser adecuado no sólo para el cobre, sino también no ferrosos y metales preciosos en la industria de la joyería. “Sin embargo, antes de lograr eso, todavía tenemos que superar algunos obstáculos en el proceso y el desarrollo del sistema y obtener una comprensión del proceso más profundo para el uso de la nueva longitud de onda”, dice Heussen. “Este es actualmente el objetivo del proyecto financiado con fondos públicos, que se extenderá hasta mediados de 2019”.

Fraunhofer ILT mostrará un modelo y videos de proceso inicial para presentar su nuevo tema de investigación a las partes interesadas en Formnext (hall 3.0, stand F50), del 14 al 17 de noviembre en Frankfurt.